Eine Großartige Vereinigte Theorie, (EINGEWEIDE), ist ein Modell in der Partikel-Physik in der an der hohen Energie, den drei Maß-Wechselwirkungen des Standardmodells definieren die die elektromagnetischen, schwachen und starken Wechselwirkungen, werden in eine einzelne Wechselwirkung verschmolzen, die durch eine größere Maß-Symmetrie und so eine vereinigte Kopplungskonstante charakterisiert ist. Im Gegensatz basiert das experimentell nachgeprüfte Standardmodell der Partikel-Physik auf drei unabhängigen Wechselwirkungen, symmetries und Kopplungskonstanten.

Modelle, die alle Wechselwirkungen mit einer einfacher Lüge-Gruppe als die Maß-Symmetrie nicht vereinigen, aber so verwendende halbeinfache Gruppen tun, können ähnliche Eigenschaften ausstellen und werden manchmal Großartige Vereinigte Theorien ebenso genannt.

Das Vereinheitlichen des Ernstes mit den anderen drei Wechselwirkungen würde eine Theorie von allem (TOE), aber nicht EINGEWEIDE zur Verfügung stellen. Dennoch werden EINGEWEIDE häufig als eine Zwischenstufe zu einer ZEHE gesehen.

Die neuen durch Modelle der großartigen Vereinigung vorausgesagten Partikeln können direkt an der Partikel colliders nicht beobachtet werden, weil, wie man erwartet, ihre Massen von der Ordnung der so genannten EINGEWEIDE-Skala sind, die vorausgesagt wird, um gerade einige Größenordnungen unter der Skala von Planck und so weit außer der Reichweite zurzeit vorausgesehener Kollisionsexperimente zu sein. Statt dessen könnten Effekten der großartigen Vereinigung durch indirekte Beobachtungen wie Protonenzerfall, elektrische Dipolmomente von elementaren Partikeln oder die Eigenschaften von neutrinos entdeckt werden. Einige großartige vereinigte Theorien sagen die Existenz von magnetischen Monopolen voraus.

, alle EINGEWEIDE-Modelle, die zum Ziel haben, völlig realistisch zu sein, werden sogar im Vergleich zum Standardmodell ganz kompliziert, weil sie zusätzliche Felder und Wechselwirkungen oder sogar zusätzliche Dimensionen des Raums einführen müssen. Der Hauptgrund für diese Kompliziertheit liegt in der Schwierigkeit, die beobachteten fermion Massen wieder hervorzubringen und Winkel zu mischen. Wegen dieser Schwierigkeit, und wegen des Mangels an jeder beobachteten Wirkung der großartigen Vereinigung bis jetzt gibt es kein allgemein akzeptiertes EINGEWEIDE-Modell.

Geschichte

Historisch wurden die ersten wahren EINGEWEIDE, die auf der einfachen Lüge-Gruppe SU (5) basiert haben, von Howard Georgi und Sheldon Glashow 1974 vorgeschlagen. Dem Modell von Georgi-Glashow wurde durch die Halbeinfache Lüge-Algebra Pati-Salam Modell von Abdus Salam und Jogesh Pati vorangegangen, der für die Idee den Weg gebahnt hat, Maß-Wechselwirkungen zu vereinigen.

Die Akronym-EINGEWEIDE wurden zuerst 1978 von CERN Forschern John Ellis, Andrzej Buras, Mary K. Gaillard und Dimitri Nanopoulos jedoch in der Endversion ihres Papiers ins Leben gerufen sie haben für den weniger anatomischen KAUGUMMI (Großartige Vereinigungsmasse) gewählt. Nanopoulos später in diesem Jahr war erst, um das Akronym in einer Zeitung zu verwenden.

Motivation

Die Tatsache, dass die elektrischen Anklagen von Elektronen und Protonen scheinen, einander genau zur äußersten Präzision zu annullieren, ist für die Existenz der makroskopischen Welt notwendig, weil wir es wissen, aber dieses wichtige Eigentum von elementaren Partikeln wird im Standardmodell der Partikel-Physik nicht erklärt. Während die Beschreibung von starken und schwachen Wechselwirkungen innerhalb des Standardmodells auf dem Maß symmetries geregelt von den einfachen Symmetrie-Gruppen SU (3) und SU (2) basiert, die nur getrennte Anklagen, den restlichen Bestandteil erlauben, wird die schwache Hyperanklage-Wechselwirkung durch eine abelian Symmetrie U (1) beschrieben, der im Prinzip willkürliche Anklage-Anweisungen berücksichtigt. Die beobachtete Anklage quantization, nämlich die Tatsache, dass alle bekannten elementaren Partikeln elektrische Anklagen tragen, die scheinen, genaue Vielfachen von der "elementaren" Anklage zu sein, hat zur Idee geführt, dass Hyperanklage-Wechselwirkungen und vielleicht die starken und schwachen Wechselwirkungen in einer Großartiger Vereinigter Wechselwirkung eingebettet werden könnten, die von einer einzelnen, größeren einfachen Symmetrie-Gruppe beschrieben ist, die das Standardmodell enthält. Das würde die gequantelte Natur und Werte aller elementaren Partikel-Anklagen automatisch voraussagen. Da das auch auf eine Vorhersage für die Verhältniskräfte der grundsätzlichen Wechselwirkungen hinausläuft, die wir, insbesondere der schwache sich vermischende Winkel beobachten, vermindert Großartige Vereinigung ideal die Anzahl von unabhängigen Eingangsrahmen, aber wird auch durch Beobachtungen beschränkt.

Großartige Vereinigung ist an die Vereinigung von elektrischen und magnetischen Kräften durch die Theorie von Maxwell des Elektromagnetismus im 19. Jahrhundert erinnernd, aber seine physischen Implikationen und mathematische Struktur sind qualitativ verschieden.

Vereinigung von Sache-Partikeln

:For, ist eine elementare Einführung darin, wie Algebra Liegen, mit der Partikel-Physik verbunden, sehen die Physik des Artikels Particle und Darstellungstheorie.

SU (5)

SU (5) ist die einfachsten EINGEWEIDE. Die kleinste einfache Lüge-Gruppe, die das Standardmodell enthält, und auf den die erste Großartige Vereinigte Theorie basiert hat, ist

.

Solche Gruppe symmetries erlaubt die Umdeutung von mehreren bekannten Partikeln als verschiedene Staaten eines einzelnen Partikel-Feldes. Jedoch ist es nicht offensichtlich, dass die einfachstmöglichen Wahlen für die verlängerte "Großartige Vereinigte" Symmetrie den richtigen Warenbestand von elementaren Partikeln nachgeben sollten. Die Tatsache, dass ganz zurzeit bekannt (2009) Sache-Partikeln passend nett in drei Kopien der kleinsten Gruppendarstellungen von SU (5) und sofort die richtigen beobachteten Anklagen tragen, ist einer der ersten und wichtigsten Gründe, warum Leute glauben, dass eine Großartige Vereinigte Theorie wirklich in der Natur begriffen werden könnte.

Die zwei kleinsten nicht zu vereinfachenden Darstellungen von SU (5) sind 5 und 10. In der Standardanweisung enthalten die 5 die Anklage konjugiert des rechtshändigen Unten-Typ-Quark-Farbendrillings und eines linkshändigen lepton isospin Dublette, während die 10 die sechs-Typ-Quark-Bestandteile enthalten, das linkshändige Unten-Typ-Quark färben Drilling und das rechtshändige Elektron. Dieses Schema muss für jede der drei bekannten Generationen der Sache wiederholt werden. Es ist bemerkenswert, dass die Theorie mit diesem Sache-Inhalt freie Anomalie ist.

Die hypothetischen rechtshändigen neutrinos werden in keiner dieser Darstellungen enthalten, die ihre Verhältnislast erklären können (sieh Schaukelmechanismus).

SO (10)

Die folgende einfache Lüge-Gruppe, die das Standardmodell enthält, ist

.

Hier ist die Vereinigung der Sache noch mehr abgeschlossen, da die nicht zu vereinfachende spinor Darstellung 16 sowohl als auch 10 von SU (5) und ein rechtshändiges Neutrino, und so der ganze Partikel-Inhalt einer Generation des verlängerten Standardmodells mit Neutrino-Massen enthält. Das ist bereits die größte einfache Gruppe, die die Vereinigung der Sache in einem Schema erreicht, das nur die bereits bekannten Sache-Partikeln (abgesondert vom Sektor von Higgs) einschließt.

Seit dem verschiedenen Standardmodell werden fermions zusammen in größeren Darstellungen gruppiert, EINGEWEIDE sagen spezifisch Beziehungen unter den fermion Massen, solcher als zwischen dem Elektron und unten Quark, der muon und das fremde Quark, und der tau lepton und das unterste Quark für SU (5) und SO (10) voraus. Einige dieser Massenbeziehungen halten ungefähr, aber die meisten tun nicht (sieh Massenbeziehung von Georgi-Jarlskog).

Die boson Matrix für SO (10) wird durch die Einnahme 15x15 Matrix von der 10+5 Darstellung von SU (5) und das Hinzufügen einer Extrareihe und collumn für das Recht gereicht Neutrino gefunden. Die bosons werden durch das Hinzufügen gefunden, dass ein Partner zu jedem der 20 bosons beladen hat (2 rechtshändige W bosons, haben 6 massive gluons und 12 Typ X/Y bosons beladen), und einen zusätzlichen schweren neutralen Z-Boson hinzufügend, um 5 neutrale bosons insgesamt zu machen. Die boson Matrix wird einen boson oder seinen neuen Partner in jeder Reihe und Säule haben. Diese Paare verbinden sich, um das vertraute 16D Dirac spinor matrices SO (10) zu schaffen.

Symplectic Groups und Quaternion Darstellungen

Maß-Gruppen von Symplectic konnten auch betrachtet werden. Zum Beispiel Sp (8) hat eine Darstellung in Bezug auf 4x4 quaternion einheitlicher matrices, der eine 16 dimensionale echte Darstellung hat und so als ein Kandidat für eine Maß-Gruppe betrachtet werden könnte. Sp (8) hat 32 hat bosons und 4 neutrale bosons beladen. Es sind Untergruppen schließen SU (4) ein so kann mindestens den gluons und das Foton von SU (3) xU (1) enthalten. Obwohl es wahrscheinlich nicht möglich ist, schwachen bosons zu haben, der chiral fermions in dieser Darstellung folgt. Eine quaternion Darstellung des fermions könnte sein:

:

e+i\overline {e} +jv+k\overline {v} \\

u_r+i\overline {u_r} +jd_r+k\overline {d_r} \\

u_g+i\overline {u_g} +jd_g+k\overline {d_g} \\

u_b+i\overline {u_b} +jd_b+k\overline {d_b} \\

\end {bmatrix} _L

</Mathematik>

Eine weitere Komplikation mit quaternion Darstellungen von fermions besteht darin, dass es zwei Typen der Multiplikation gibt: Verlassene Multiplikation und richtige Multiplikation, die in Betracht gezogen werden muss. Es stellt sich heraus, dass einschließlich des linken und rechtshändigen 4x4 quaternion matrices zum Umfassen einer einzelnen richtigen Multiplikation durch eine Einheit quaternion gleichwertig ist, der einen zusätzlichen SU (2) und so ein zusätzlicher neutraler boson und zwei mehr beladene bosons hinzufügt. So ist die Gruppe von linken und Recht gereicht 4x4 quaternion matrcies Sp (8) xSU (2), der wirklich das Standardmodell bosons einschließt:

:

Wenn ein quaternion ist, hat spinor geschätzt, ist quaternion hermitian 4x4 Matrix, die aus Sp kommt (8) und ist ein reiner imaginärer quaternion (von denen beide 4-Vektoren-bosons sind) dann ist der Wechselwirkungsbegriff:

::

E8 und Octonion Darstellungen

Es kann bemerkt werden, dass eine Generation von 16 fermions in die Form von Octonion mit jedem Element des octonion gebracht werden kann ein 8-Vektoren-zu sein. Wenn die 3 Generationen dann in 3x3 hermitian Matrix mit bestimmten Hinzufügungen für die diagonalen Elemente dann gebracht werden, bilden diese matrices eine außergewöhnliche (grassman-) Algebra von Jordan, die die Symmetrie-Gruppe von einer der außergewöhnlichen Lüge-Gruppen (F, E, E oder E) abhängig von den Details hat.

:

\psi =\begin {bmatrix }\

a & e & \mu \\

\overline {e} & b & \tau \\

\overline {\\mu} & \overline {\\tau} & c

\end {bmatrix }\</Mathematik>:

[\psi_A, \psi_B] \subset J_3 (O)

</Mathematik>

Weil sie fermions sind, werden die Antiumschalter der Algebra von Jordan Umschalter. Es ist bekannt, dass E Untergruppe O (10) hat und so groß genug ist, um das Standardmodell einzuschließen. Eine E-Maß-Gruppe würde zum Beispiel 8 neutrale bosons haben, 120 hat angeklagt, dass bosons und 120 anti-bosons beladen hat. Um für die 248 fermions im niedrigsten multiplet von E verantwortlich zu sein, würden diese entweder Antiteilchen einschließen (und so Baryogenesis haben müssen), haben Sie neue unentdeckte Partikeln, oder haben Sie Ernst ähnlich (Drehungsverbindung) bosons das Beeinflussen von Elementen der Partikeln spinnen Richtung. Jeder von diesen wirft theoretische Probleme auf.

Außer Lie Groups

Andere Strukturen sind einschließlich Lüge-3 Algebra angedeutet worden und Liegen Superalgebra. Keiner von diesen, die mit der Yang-Mühle-Theorie ausgerüstet sind. Lügen Sie insbesondere Superalgebra würden bosons mit der falschen Statistik einführen. Supersymmetrie rüstet jedoch mit Yang-Mühlen aus. Zum Beispiel verlangt N=4 Supermühle-Theorie von Yang einen SU (N) Maß-Gruppe.

Vereinigung von Kräften und die Rolle der Supersymmetrie

Die Vereinigung von Kräften ist wegen der Energieskala-Abhängigkeit von Rahmen in der Quant-Feldtheorie genannt das Wiedernormalisierungsgruppenlaufen möglich, das Rahmen mit gewaltig verschiedenen Werten an collider Energien erlaubt, an viel höheren Energieskalen zusammenzulaufen.

Wie man

gefunden hat, hat das Wiedernormalisierungsgruppenlaufen der drei Maß-Kopplungen im Standardmodell fast, aber nicht ganz, trifft sich an demselben Punkt, wenn die Hyperanklage normalisiert wird, so dass es mit SU (5) oder SO (10) EINGEWEIDE im Einklang stehend ist, die genau die EINGEWEIDE-Gruppen sind, die zu einer einfachen fermion Vereinigung führen. Das ist ein bedeutendes Ergebnis, weil andere Lüge-Gruppen zu verschiedenen Normalisierungen führen. Jedoch, wenn die supersymmetrische Erweiterung MSSM wird statt des Standardmodells, das Match verwendet, viel genauer wird. In diesem Fall treffen sich die Kopplungskonstanten der starken und electroweak Wechselwirkungen an der großartigen Vereinigungsenergie, auch bekannt als der EINGEWEIDE-Skala:

.

Es wird allgemein geglaubt, dass dieses Zusammenbringen kaum ein Zufall sein wird, und häufig als eine der Hauptmotivationen angesetzt wird, weiter supersymmetrische Theorien zu untersuchen, ungeachtet der Tatsache dass keine supersymmetrischen Partnerpartikeln (März 2011) experimentell beobachtet worden sind. Außerdem nehmen die meisten Musterbaumeister einfach Supersymmetrie an, weil sie das Hierarchie-Problem behebt - d. h., es stabilisiert die electroweak Masse von Higgs gegen Strahlungskorrekturen.

Neutrino-Massen

Da Majorana Massen des rechtshändigen Neutrinos durch SO (10) Symmetrie verboten werden, SO (10) sagen EINGEWEIDE voraus, dass die Massen von Majorana von rechtshändigem neutrinos der EINGEWEIDE-Skala nah sind, wo die Symmetrie in jenen Modellen spontan gebrochen wird. In supersymmetrischen EINGEWEIDEN neigt diese Skala dazu, größer zu sein, als wünschenswert sein würde, um realistische Massen des leichten, größtenteils linkshändigen neutrinos zu erhalten (sieh Neutrino-Schwingung) über den Schaukelmechanismus.

Vorgeschlagene Theorien

Solche mehreren Theorien sind vorgeschlagen worden, aber niemand wird zurzeit allgemein akzeptiert. Eine noch ehrgeizigere Theorie, die alle grundsätzlichen Kräfte einschließlich der Schwerkraft einschließt, wird eine Theorie von allem genannt. Einige allgemeine Hauptströmungs-EINGEWEIDE-Modelle sind:

• minimales nach links richtiges Modell — SU (3) &times; SU (2) &times; SU (2) &times; U (1)
• Modell von Georgi-Glashow — SU (5)
• SO (10)
• Geschnipster SU (5) — SU (5) &times; U (1)
• Pati-Salam Modell — SU (4) &times; SU (2) &times; SU (2)
• Geschnipst SO (10) — SO (10) &times; U (1)
• Trinification — SU (3) &times; SU (3) &times; SU (3)
• SU (6)
• E
• 331 Modell
• chiral färben

Nicht ganz nimmt AUS:

• Farbfilm-Modelle
• Wenig Higgs
• Preons
• Schnur-Theorie
• M Theorie
• Schleife-Quant-Ernst

• Kausale dynamische Triangulationstheorie

Referenzen: Diese Modelle beziehen sich, um Algebra Zu liegen, um Gruppen nicht Zu liegen. Die Lüge-Gruppe konnte [SU (4) ×SU (2) ×SU (2)]/Z sein, um gerade ein zufälliges Beispiel zu nehmen.

Der viel versprechendste Kandidat ist SO (10). (Minimal) SO (10) enthält keinen exotischen fermions (d. h. zusätzlichen fermions außer dem Standardmodell fermions und dem rechtshändigen Neutrino), und es vereinigt jede Generation in eine einzelne nicht zu vereinfachende Darstellung. Mehrere andere EINGEWEIDE-Modelle basieren auf Untergruppen SO (10). Sie sind das minimale nach links richtige Modell, SU (5), hat SU (5) und das Pati-Salam Modell geschnipst. Die EINGEWEIDE-Gruppe E enthält SO (10), aber darauf gestützte Modelle sind bedeutsam mehr kompliziert. Der primäre Grund dafür, E Modelle zu studieren, kommt aus E &times; E spannen heterotic Theorie.

EINGEWEIDE-Modelle sagen allgemein die Existenz von topologischen Defekten wie Monopole, kosmische Schnuren, Bereichswände und andere voraus. Aber niemand ist beobachtet worden. Ihre Abwesenheit ist als das Monopol-Problem in der Kosmologie bekannt. Die meisten EINGEWEIDE-Modelle sagen auch Protonenzerfall, obwohl nicht das Pati-Salam Modell voraus; aktuelle Experimente haben noch Protonenzerfall nicht entdeckt. Diese experimentelle Grenze auf der Lebenszeit des Protons schließt ziemlich viel minimalen SU (5) aus.

Image:Proton_decay2.svg|Dimension 6 Protonenzerfall hat durch die X boson in SU (5) EINGEWEIDE vermittelt

Image:proton decay3.svg|Dimension 6 Protonenzerfall hat durch die X boson in geschnipstem SU (5) EINGEWEIDE vermittelt

Image:proton decay4.svg|Dimension 6 Protonenzerfall hat durch den Drilling Higgs und den Antidrilling Higgs in SU (5) EINGEWEIDE vermittelt

</Galerie>

Einige EINGEWEIDE-Theorien wie SU (5) und SO (10) leiden darunter, was das Problem des Dublette-Drillings genannt wird. Diese Theorien sagen voraus, dass für jede electroweak Dublette von Higgs es ein entsprechendes farbiges Drilling-Feld von Higgs mit einer sehr kleinen Masse (viele Größenordnungen gibt, die kleiner sind als die EINGEWEIDE-Skala hier). In der Theorie, Quarke mit leptons vereinigend, würde die Dublette von Higgs auch mit einem Drilling von Higgs vereinigt. Solche Drillinge sind nicht beobachtet worden. Sie würden auch äußerst schnellen Protonenzerfall (weit unter aktuellen experimentellen Grenzen) verursachen und die Maß-Kopplungskräfte davon abhalten, zusammen in der Wiedernormalisierungsgruppe zu laufen.

Die meisten EINGEWEIDE-Modelle verlangen eine dreifache Erwiderung der Sache-Felder. Als solcher erklären sie nicht, warum es drei Generationen von fermions gibt. Die meisten EINGEWEIDE-Modelle scheitern auch, die kleine Hierarchie zwischen den fermion Massen für verschiedene Generationen zu erklären.

Zutaten

Ein EINGEWEIDE-Modell besteht grundsätzlich aus einer Maß-Gruppe, die eine Kompaktlüge-Gruppe, eine Verbindungsform für diese Lüge-Gruppe, eine Yang-Mühle-Handlung für diese Verbindung ist, die durch eine invariant symmetrische bilineare Form über seine Lüge-Algebra gegeben ist (der durch eine Kopplungskonstante für jeden Faktor angegeben wird), ein Sektor von Higgs, der aus mehreren Skalarfeldern besteht, die Werte innerhalb von echten/komplizierten Darstellungen der Lüge-Gruppe und chiral Weyl fermions übernehmen, der Werte innerhalb eines komplizierten Ripses der Lüge-Gruppe übernimmt. Die Lüge-Gruppe enthält die Standardmustergruppe, und die Felder von Higgs erwerben das VEVs-Führen zu einer spontanen Symmetrie, die zum Standardmodell bricht. Weyl fermions vertreten Sache.

Aktueller Status

, es gibt noch keine harten Beweise, dass Natur durch eine Großartige Vereinigte Theorie beschrieben wird. Außerdem, da die Partikel von Higgs noch nicht beobachtet worden ist, ist die kleinere electroweak Vereinigung noch hängend. Die Entdeckung von Neutrino-Schwingungen zeigt an, dass das Standardmodell unvollständig ist und zu erneuertem Interesse zu bestimmten EINGEWEIDEN solcher als WIE (10) geführt hat. Einer der wenigen möglichen experimentellen Tests von bestimmten EINGEWEIDEN ist Protonenzerfall und auch fermion Massen. Es gibt einige speziellere Tests auf supersymmetrische EINGEWEIDE.

Die Maß-Kopplungskräfte von QCD, der schwachen Wechselwirkung und Hyperanklage scheinen, sich an einer allgemeinen Länge-Skala genannt die EINGEWEIDE-Skala und gleich ungefähr 10 GeV zu treffen, der ein bisschen andeutend ist. Diese interessante numerische Beobachtung wird die Maß-Kopplungsvereinigung genannt, und es arbeitet besonders gut, wenn man die Existenz von Superpartnern der Standardmusterpartikeln annimmt. Dennoch ist es möglich, dasselbe durch das Verlangen zum Beispiel zu erreichen, dass gewöhnlich (nicht supersymmetrisch) SO (10) Modelle mit einer Zwischenmaß-Skala wie diejenige der Pati-Salam Gruppe Schluss machen.

Siehe auch

• Paradigma-Verschiebung
• Klassische vereinigte Feldtheorien
• X und Y bosons
• B-L Quantenzahl

Referenzen

Weiterführende Literatur

• Stephen Hawking, Eine Kurze Geschichte der Zeit, schließt eine kurze populäre Übersicht ein.

Links

• Die Algebra von großartigen vereinigten Theorien