Grand Unified Theory (GUT, GUT ou GUT - les trois abréviations seront utilisées dans l'article) est un modèle en physique des particules dans lequel, à haute énergie, les trois interactions de jauge du modèle standard qui déterminent l'électromagnétisme, les interactions ou forces faibles et fortes sont combinées en une seule force. Cette interaction combinée se caractérise par une symétrie de plus grand calibre, et donc plusieurs forces porteuses, mais une liaison permanente. Si une grande unification se produit dans la nature, il y a une possibilité d'une ère de grande unification dans l'univers primitif dans laquelle les forces fondamentales ne sont pas encore différentes.
Grand Unified Theory en bref
Les modèles qui n'unifient pas toutes les interactions en utilisant un groupe simple comme symétrie de jauge, le font en utilisant des groupes semi-simples, peuvent présenter des propriétés similaires et sont parfois aussi appelés théories de la grande unification.
Combiner la gravité avec les trois autres forces fournirait une théorie du tout (OO) plutôt qu'un GUT. Cependant, GUT est souvent considéré comme une étape intermédiaire vers OO. Ce sont toutes des idées caractéristiques des grandes théories de l'unification et de la surunification.
Les nouvelles particules prédites par les modèles GUT devraient avoir des masses autour de l'échelle GUT - juste quelques ordres de grandeur en dessous de l'échelle de Planck - et donc hors de portée de toute expérience proposée avec un collisionneur de particules. Par conséquent, les particules prédites par les modèles GUT ne peuvent pas être observées directement, et à la place, les effets de grande unification peuvent être détectés par des observations indirectes telles que la désintégration des protons, les moments dipolaires électriques des particules élémentaires ou les propriétés des neutrinos. Certains GUT, comme le modèle de Pati Salam, prédisent l'existence de monopôles magnétiques.
Caractéristiques des modèles
Les modèles GUT, qui se veulent tout à fait réalistes, sont assez complexes, même par rapport au modèle standard, car ils doivent introduire des champs et des interactions supplémentaires, voire des dimensions d'espace supplémentaires. La principale raison de cette complexité réside dans la difficulté de reproduire les masses de fermions et les angles de mélange observés, ce qui peut être dû à l'existence de quelques symétries familiales supplémentaires en dehors des modèles GUT traditionnels. En raison de cette difficulté et de l'absence de tout effet de grande unification observable, il n'existe toujours pas de modèle GUT généralement accepté.
Historiquement premierun vrai GUT basé sur le simple groupe SU de Lee a été proposé par Howard George et Sheldon Glashow en 1974. Le modèle Georgi-Glashow a été précédé par le modèle d'algèbre de Lie semi-simple Pati-Salam proposé par Abdus Salam et Jogesh Pati, qui ont d'abord proposé des interactions de jauge unificatrices.
Historique des noms
L'abréviation GUT (GUT) a été inventée pour la première fois en 1978 par les chercheurs du CERN John Ellis, Andrzej Buras, Mary C. Gayard et Dmitry Nanopoulos, mais dans la version finale de leur article, ils ont choisi GUM (grande masse d'unification). Nanopoulos plus tard cette année-là a été le premier à utiliser l'acronyme dans un article. En bref, beaucoup de travail a été fait sur le chemin de la Grande Théorie Unifiée.
Communauté des concepts
L'abréviation SU est utilisée pour désigner les théories de la grande unification, auxquelles il sera fréquemment fait référence tout au long de cet article. Le fait que les charges électriques des électrons et des protons semblent s'annuler avec une extrême précision est essentiel au monde macroscopique tel que nous le connaissons, mais cette propriété importante des particules élémentaires n'est pas expliquée dans le modèle standard de la physique des particules. Alors que la description des interactions fortes et faibles dans le modèle standard est basée sur des symétries de jauge régies par de simples groupes de symétrie SU (3) et SU (2) qui n'autorisent que des charges discrètes, la composante restante, l'interaction hypercharge faible, est décrite par l'abélien U(1), qui permet en principerépartition arbitraire des charges.
La quantification de charge observée, à savoir le fait que toutes les particules élémentaires connues portent des charges électriques qui semblent être des multiples exacts de ⅓ de la charge élémentaire, a conduit à l'idée que des interactions d'hypercharge et éventuellement des interactions fortes et faibles pourraient être construites en une grande interaction unifiée décrite par un groupe de symétrie simple plus grand contenant le modèle standard. Cela prédira automatiquement la nature et les valeurs quantifiées de toutes les charges des particules élémentaires. Parce qu'elle conduit également à une prédiction des forces relatives des interactions sous-jacentes que nous observons, en particulier le faible angle de mélange, la Grande Unification réduit idéalement le nombre d'entrées indépendantes, mais est également limitée aux observations. Aussi universelle que puisse paraître la grande théorie unifiée, les livres à ce sujet ne sont pas très populaires.
Théorie de Georgie-Glasgow (SU (5))
La grande unification rappelle l'unification des forces électriques et magnétiques dans la théorie de l'électromagnétisme de Maxwell au 19ème siècle, mais sa signification physique et sa structure mathématique sont qualitativement différentes.
Cependant, il n'est pas évident que le choix le plus simple possible pour la grande symétrie unifiée étendue soit de produire le bon ensemble de particules élémentaires. Le fait que toutes les particules de matière actuellement connues correspondent bien aux trois plus petites théories de représentation de groupe SU (5) et portent immédiatement les charges observables correctes est l'une des premières etles raisons les plus importantes pour lesquelles les gens croient que la grande théorie unifiée peut réellement être réalisée dans la nature.
Les deux plus petites représentations irréductibles de SU(5) sont 5 et 10. Dans la notation standard, 5 contient les conjugués de charge d'un triplet de couleur de type bas vers la droite et d'un doublet isospin gauche-gauche, tandis que 10 contient six composantes d'un quark de type up, colore un triplet d'un quark de type down gaucher et d'un électron droitier. Ce schéma doit être reproduit pour chacune des trois générations connues de matière. Il est à noter que la théorie ne contient pas d'anomalies avec ce contenu.
Les neutrinos hypothétiques droitiers sont un singulet SU(5), ce qui signifie que sa masse n'est interdite par aucune symétrie; il n'a pas besoin de briser spontanément la symétrie, ce qui explique pourquoi sa masse sera grande.
Ici, l'unification de la matière est encore plus complète, puisque la représentation du spineur irréductible 16 contient à la fois 5 et 10 de SU(5) et des neutrinos droitiers, et donc le contenu total en particules d'une génération du modèle standard étendu avec masses de neutrinos. C'est déjà le plus grand groupe simple qui réalise l'unification de la matière dans un schéma qui ne comprend que des particules de matière déjà connues (à l'exception du secteur de Higgs).
Parce que les différents fermions du modèle standard sont regroupés dans des représentations plus larges, les GUT prédisent spécifiquement les relations entre les masses de fermions, comme entre un électron etle quark down, le muon et le quark étrange et le lepton tau et le quark down pour SU(5). Certains de ces rapports de masse sont approximatifs, mais la plupart ne le sont pas.
Théorie SO(10)
La matrice bosonique pour SO(10) est trouvée en prenant une matrice 15×15 de représentation 10 + 5 de SU(5) et en ajoutant une ligne et une colonne supplémentaires pour le neutrino droit. Les bosons peuvent être trouvés en ajoutant un partenaire à chacun des 20 bosons chargés (2 bosons W droits, 6 gluons chargés massifs et 12 bosons de type X/Y) et en ajoutant un boson Z neutre extra lourd pour faire 5 bosons neutres. La matrice bosonique aura un boson ou son nouveau partenaire dans chaque ligne et colonne. Ces paires se combinent pour créer les matrices de spin 16D Dirac familières SO(10).
Modèle standard
Extensions non chirales du modèle standard avec des spectres vectoriels de particules multiplets scindées qui apparaissent naturellement dans les GUT SU(N) plus élevés modifient de manière significative la physique du désert et conduisent à une grande unification réaliste (à l'échelle de la ligne) pour les trois quarks-leptons habituels familles même sans utiliser la supersymétrie (voir ci-dessous). D'autre part, en raison de l'émergence d'un nouveau mécanisme VEV manquant émergeant dans le GUT supersymétrique SU (8), une solution simultanée au problème de hiérarchie de jauge (doublet-triplet splitting) et au problème d'unification de saveur peut être trouvée.
Autres théories et particules élémentaires
GUT avec quatre familles/générations, SU(8): en supposant que 4 générations de fermions au lieu de 3 génèrent un total de 64 types de particules. Ils peuvent être placés dans les représentations 64=8 + 56 SU(8). Cela peut être divisé en SU(5) × SU(3) F × U(1), qui est la théorie SU(5), avec quelques bosons lourds qui affectent le nombre de générations.
GUT avec quatre familles/générations, O(16): Encore une fois, en supposant que 4 générations de fermions, 128 particules et antiparticules peuvent tenir dans une seule représentation de spineur O(16). Toutes ces choses ont été découvertes sur le chemin de la grande théorie unifiée.
