النظرية الموحدة الكبرى (GUT أو GUT أو GUT - سيتم استخدام الاختصارات الثلاثة في المقالة) هي نموذج في فيزياء الجسيمات حيث ، عند الطاقة العالية ، تفاعلات المقاييس الثلاثة للنموذج القياسي التي تحدد الكهرومغناطيسية ، التفاعلات أو القوى الضعيفة والقوية يتم دمجها في قوة واحدة. يتميز هذا التفاعل المشترك بتماثل واحد بمقياس أكبر ، وبالتالي عدة قوى حاملة ، لكن رابطة دائمة واحدة. إذا حدث توحيد كبير في الطبيعة ، فهناك احتمال لعصر توحيد كبير في الكون المبكر حيث لم تختلف القوى الأساسية بعد.
النظرية الموحدة الكبرى في سطور
النماذج التي لا توحد جميع التفاعلات باستخدام مجموعة واحدة بسيطة كمقياس للتماثل ، تفعل ذلك باستخدام مجموعات شبه بسيطة ، ويمكن أن تظهر خصائص متشابهة وتسمى أحيانًا أيضًا نظريات التوحيد الكبرى.
الجمع بين الجاذبية والقوى الثلاث الأخرى سيوفر نظرية لكل شيء (OO) بدلاً من GUT. ومع ذلك ، غالبًا ما يُنظر إلى القناة الهضمية (GUT) على أنها خطوة وسيطة نحو OO. هذه كلها أفكار مميزة لنظريات التوحيد والتوحيد العظيمة.
من المتوقع أن تحتوي الجسيمات الجديدة التي تنبأت بها نماذج GUT على كتل حول مقياس GUT - فقط بضعة أوامر من الحجم أقل من مقياس بلانك - وبالتالي بعيدًا عن متناول أي تجارب مقترحة لمصادم الجسيمات. لذلك ، لا يمكن ملاحظة الجسيمات التي تنبأت بها نماذج GUT بشكل مباشر ، وبدلاً من ذلك ، يمكن اكتشاف تأثيرات التوحيد الكبير من خلال الملاحظات غير المباشرة مثل تحلل البروتون ، أو لحظات ثنائي القطب الكهربائي للجسيمات الأولية ، أو خصائص النيوترينو. تتنبأ بعض GUTs ، مثل نموذج Pati Salam ، بوجود أقطاب أحادية مغناطيسية.
خصائص النماذج
نماذج GUT ، التي تهدف إلى أن تكون واقعية تمامًا ، معقدة للغاية ، حتى بالمقارنة مع النموذج القياسي ، لأنها يجب أن تقدم مجالات وتفاعلات إضافية ، أو حتى أبعادًا إضافية للمساحة. يكمن السبب الرئيسي لهذا التعقيد في صعوبة إعادة إنتاج كتل الفرميون المرصودة وزوايا الخلط ، والتي قد تكون بسبب وجود بعض التماثلات العائلية الإضافية خارج نماذج GUT التقليدية. بسبب هذه الصعوبة وغياب أي تأثير توحيد كبير يمكن ملاحظته ، لا يوجد حتى الآن نموذج GUT مقبول بشكل عام.
تاريخيا أولااقترح هوارد جورج وشيلدون جلاشو نموذجًا GUT حقيقيًا يعتمد على مجموعة لي البسيطة في SU. كان نموذج جورجي جلاشو قد سبقه نموذج شبه بسيط لجبر لي الجبر باتي سلام اقترحه عبد السلام وجوجيش باتي ، اللذان اقترحا لأول مرة تفاعلات القياس الموحدة.
تاريخ الاسم
تم صياغة الاختصار GUT (GUT) لأول مرة في عام 1978 من قبل باحثي CERN جون إليس ، وأندريه بوراس ، وماري سي. كان Nanopoulos في وقت لاحق من ذلك العام أول من استخدم الاختصار في مقال. باختصار ، تم إنجاز الكثير من العمل في الطريق إلى النظرية الموحدة الكبرى.
شيوع المفاهيم
يُستخدم الاختصار SU للإشارة إلى نظريات التوحيد الكبرى ، والتي ستتم الإشارة إليها كثيرًا في هذه المقالة. حقيقة أن الشحنات الكهربائية للإلكترونات والبروتونات تلغي بعضها البعض بدقة متناهية أمر ضروري للعالم الماكروسكوبي كما نعرفه ، لكن هذه الخاصية المهمة للجسيمات الأولية لم يتم شرحها في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. في حين أن وصف التفاعلات القوية والضعيفة في النموذج القياسي يعتمد على قياس التماثلات التي تحكمها مجموعات التناظر SU (3) و SU (2) البسيطة التي تسمح فقط بالشحنات المنفصلة ، فإن المكون المتبقي ، التفاعل الضعيف للشحن المفرط ، موصوف بواسطة Abelian U (1) ، والذي يسمح من حيث المبدأتوزيع تعسفي للرسوم
تكميم الشحنة المرصود ، أي حقيقة أن جميع الجسيمات الأولية المعروفة تحمل شحنات كهربائية تبدو وكأنها مضاعفات ⅓ من الشحنة الأولية ، أدت إلى فكرة أنه يمكن بناء تفاعلات فرط الشحن وربما تفاعلات قوية وضعيفة في تفاعل واحد كبير موحد وصفه مجموعة تناظر بسيطة أكبر تحتوي على النموذج القياسي. سيتنبأ هذا تلقائيًا بالطبيعة الكمية وقيم جميع شحنات الجسيمات الأولية. نظرًا لأنه يؤدي أيضًا إلى التنبؤ بالقوى النسبية للتفاعلات الأساسية التي نلاحظها ، ولا سيما زاوية الخلط الضعيفة ، فإن Grand Unification يقلل بشكل مثالي من عدد المدخلات المستقلة ، ولكنه يقتصر أيضًا على الملاحظات. وبقدر ما تبدو النظرية الموحدة الكبرى عالمية ، فإن الكتب التي تتناولها لا تحظى بشعبية كبيرة.
نظرية جورجي غلاسكو (SU (5))
يذكرنا التوحيد الكبير بتوحيد القوى الكهربائية والمغناطيسية في نظرية ماكسويل للكهرومغناطيسية في القرن التاسع عشر ، لكن معناها المادي وهيكلها الرياضي مختلفان نوعياً.
ومع ذلك ، ليس من الواضح أن أبسط خيار ممكن للتماثل الكبير الموحد الموسع هو إنتاج المجموعة الصحيحة من الجسيمات الأولية. حقيقة أن جميع جسيمات المادة المعروفة حاليًا تتلاءم جيدًا مع أصغر ثلاث نظريات تمثيل جماعي SU (5) وتحمل الشحنات الصحيحة التي يمكن ملاحظتها هي واحدة من أولى ونظرياتأهم الأسباب التي تجعل الناس يعتقدون أن النظرية الموحدة الكبرى يمكن أن تتحقق في الطبيعة.
أصغر تمثيلين غير قابلين للاختزال لـ SU (5) هما 5 و 10. في التدوين القياسي ، يحتوي الرقم 5 على اقتران الشحنة لثلاثي لوني من النوع الأيمن لأسفل وعلامة مزدوجة متساوية لليسار الأيسر ، بينما 10 يحتوي على ستة مكونات لكوارك من النوع الأعلى ، ولون ثلاثي من كوارك أعسر من نوع لأسفل وإلكترون أيمن. يجب إعادة إنتاج هذا المخطط لكل من الأجيال الثلاثة المعروفة للمادة. يشار إلى أن النظرية لا تحتوي على شذوذ بهذا المحتوى.
النيوترينوات الافتراضية اليمنى هي قطعة SU (5) ، مما يعني أن كتلتها ليست ممنوعة بأي تناظر ؛ لا يحتاج إلى كسر التناظر بشكل تلقائي ، وهو ما يفسر لماذا ستكون كتلته كبيرة.
هنا ، يكون توحيد المادة أكثر اكتمالًا ، نظرًا لأن تمثيل السبينور غير القابل للاختزال 16 يحتوي على كل من 5 و 10 من SU (5) والنيوترينوات اليمنى ، وبالتالي المحتوى الكلي للجسيمات لجيل واحد من النموذج القياسي الممتد مع كتل النيوترينو. هذه بالفعل أكبر مجموعة بسيطة تحقق توحيد المادة في مخطط يتضمن فقط جسيمات المادة المعروفة بالفعل (باستثناء قطاع هيغز).
نظرًا لأن الفرميونات النموذجية المختلفة مجمعة في تمثيلات أكبر ، فإن GUTs تتنبأ على وجه التحديد بالعلاقات بين كتل الفرميون ، مثل بين الإلكترون وكوارك سفلي وميون وكوارك غريب ، وكوارك تاو ليبتون وكوارك سفلي لـ سو (5). بعض نسب الكتلة هذه تقريبية ، لكن معظمها لا.
SO (10) نظرية
تم العثور على المصفوفة البوزونية لـ SO (10) بأخذ مصفوفة 15 × 15 من تمثيل 10 + 5 لـ SU (5) وإضافة صف وعمود إضافيين للنيوترينو الأيمن. يمكن العثور على البوزونات عن طريق إضافة شريك إلى كل من البوزونات العشرين المشحونة (2 بوزونات W اليمنى ، و 6 غلوونات مشحونة ضخمة و 12 بوزونات من النوع X / Y) وإضافة بوزون Z محايد ثقيل إضافي لصنع 5 بوزونات محايدة. سيكون للمصفوفة البوزونية بوزون أو شريكه الجديد في كل صف وعمود. تتحد هذه الأزواج لإنشاء مصفوفات الدوران 16D Dirac المألوفة SO (10).
النموذج القياسي
الامتدادات غير الفيروسية للنموذج القياسي مع أطياف متجهة للجسيمات المتعددة المنقسمة التي تظهر بشكل طبيعي في SU (N) GUTs الأعلى تغير بشكل كبير فيزياء الصحراء وتؤدي إلى توحيد كبير واقعي (مقياس الصف) لثلاثة كوارك ليبتون المعتادة العائلات حتى بدون استخدام التناظر الفائق (انظر أدناه). من ناحية أخرى ، نظرًا لظهور آلية VEV مفقودة جديدة في SU (8) GUT ، يمكن العثور على حل متزامن لمشكلة التسلسل الهرمي للمقياس (تقسيم مزدوج إلى ثلاثة توائم) ومشكلة توحيد النكهة.
نظريات أخرى وجسيمات أولية
GUT مع أربع عائلات / أجيال ، SU (8): بافتراض أن 4 أجيال من الفرميونات بدلاً من 3 تولد إجمالي 64 نوعًا من الجسيمات. يمكن وضعها في 64=8 + 56 SU (8) تمثيلات. يمكن تقسيم هذا إلى SU (5) × SU (3) F × U (1) ، وهي نظرية SU (5) ، جنبًا إلى جنب مع بعض البوزونات الثقيلة التي تؤثر على رقم التوليد.
GUT مع أربع عائلات / أجيال ، O (16): مرة أخرى ، بافتراض أن 4 أجيال من الفرميونات و 128 جسيمًا وجسيمًا مضادًا يمكن أن تتناسب مع تمثيل O (16) مغزلي واحد. تم اكتشاف كل هذه الأشياء في الطريق إلى النظرية الموحدة الكبرى.
