Gran Teoría Unificada

Para el álbum, vea Grand Unification (álbum).

Más allá del modelo estándar
Datos simulados del detector de partículas CMS del gran colisionador de hadrones que muestran un bosón de Higgs producido por la colisión de protones que se descomponen en chorros de hadrones y electrones
Modelo estandar
Evidencia Problema de jerarquía Materia oscura Energía oscura Quintaesencia Energía fantasma Radiación oscura Fotón oscuro Problema cosmológico constante Fuerte problema de PC Oscilación de neutrinos
Teorías Teoría de Brans-Dicke Hipótesis de la censura cósmica Quinta fuerza Teoría F Teoria de todo Teoría de campo unificado Gran Teoría Unificada Tecnicolor Teoría de Kaluza-Klein Teoría de campos cuánticos topológicos Teoría del campo cuántico local Teoría del campo de Liouville Teoría del campo superconformal 6D (2,0) Teoría cuántica de campos no conmutativa Cosmología cuántica Cosmología de la brana Teoria de las cuerdas Teoría de supercuerdas Teoría M Hipótesis del universo matemático Materia del espejo Modelo de Randall-Sundrum Teoría de Yang-Mills N = 4 teoría supersimétrica de Yang-Mills Teoría de cuerdas de twistor Fluido oscuro Relatividad doblemente especial Relatividad especial invariante de De Sitter Sistemas de fermiones causales Termodinámica del agujero negro Física de unpartículas Graviphoton Graviscalar Graviton Gravitino Gravedad masiva Teoría de la gravitación del calibre Gravedad de la teoría del calibre Simetría CPT
Supersimetría MSSM NMSSM Teoría de supercuerdas Teoría M Supergravedad Ruptura de supersimetría Dimensiones extra Grandes dimensiones extra
Gravedad cuántica Falso vacío Teoria de las cuerdas Espuma giratoria Espuma cuántica Geometría cuántica Bucle de gravedad cuántica Cosmología cuántica Cosmología cuántica de bucles Triangulación dinámica causal Sistemas de fermiones causales Conjuntos causales Gravedad cuántica canónica Gravedad semiclásica Teoría del vacío superfluido
Experimentos ANNIE Gran Sasso INO LHC SNO Super-K Tevatron Estrella nueva
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Una Gran Teoría Unificada ( GUT) es un modelo en física de partículas en el que, a altas energías, las interacciones de tres indicadores del Modelo Estándar que comprenden las fuerzas electromagnética, débil y fuerte se fusionan en una sola fuerza. Aunque esta fuerza unificada no se ha observado directamente, los muchos modelos GUT teorizan su existencia. Si la unificación de estas tres interacciones es posible, surge la posibilidad de que hubo una época de gran unificación en el universo muy temprano en la que estas tres interacciones fundamentales aún no eran distintas.

Los experimentos han confirmado que a alta energía la interacción electromagnética y la interacción débil se unifican en una única interacción electrodébil. Los modelos GUT predicen que a una energía aún mayor, la interacción fuerte y la interacción electrodébil se unificarán en una única interacción electronuclear. Esta interacción se caracteriza por una simetría de calibre más grande y, por lo tanto, varios portadores de fuerza, pero una constante de acoplamiento unificada. Unificar la gravedad con la interacción electronuclear proporcionaría una teoría más completa del todo (TOE) en lugar de una Gran Teoría Unificada. Por lo tanto, las GUT se ven a menudo como un paso intermedio hacia un TOE.

Se espera que las nuevas partículas predichas por los modelos GUT tengan masas extremadamente altas, alrededor de la escala GUT de GeV (solo unos pocos órdenes de magnitud por debajo de la escala de Planck de GeV), por lo que están mucho más allá del alcance de cualquier experimento de colisionador de partículas previsto. Por lo tanto, las partículas predichas por los modelos GUT no podrán observarse directamente y, en cambio, los efectos de la gran unificación podrían detectarse a través de observaciones indirectas como la desintegración de protones, los momentos dipolares eléctricos de las partículas elementales o las propiedades de los neutrinos. Algunas GUT, como el modelo Pati-Salam, predicen la existencia de monopolos magnéticos. $$

10 dieciséis {\ Displaystyle 10 ^ {16}} $$ 10 19 {\ Displaystyle 10 ^ {19}}

Si bien se puede esperar que las GUT ofrezcan simplicidad sobre las complicaciones presentes en el modelo estándar, los modelos realistas siguen siendo complicados porque necesitan introducir campos e interacciones adicionales, o incluso dimensiones adicionales del espacio, para reproducir las masas de fermiones y los ángulos de mezcla observados. Esta dificultad, a su vez, puede estar relacionada con la existencia de simetrías familiares más allá de los modelos GUT convencionales. Debido a esto, y la falta de cualquier efecto observado de gran unificación hasta ahora, no existe un modelo GUT generalmente aceptado.

Los modelos que no unifican las tres interacciones usando un grupo simple como simetría de calibre, pero lo hacen usando grupos semisimple, pueden exhibir propiedades similares y, a veces, también se denominan grandes teorías unificadas.

Problema sin resolver en física:

¿Están las tres fuerzas del modelo estándar unificadas a altas energías? ¿Por qué simetría se rige esta unificación? ¿Puede la teoría de la gran unificación explicar el número de generaciones de fermiones y sus masas?

(más problemas sin resolver en física)

• 1 Historia
• 2 Motivación
• 3 Unificación de partículas de materia
  • 3,1 SU (5)
  • 3,2 ASÍ (10)
  • 3.3 E 6
  • 3.4 Teorías extendidas de la gran unificación
  • 3.5 Grupos simplécticos y representaciones de cuaterniones
  • 3.6 Representaciones de octonion
  • 3.7 Grupos de Beyond Lie
• 4 Unificación de fuerzas y el papel de la supersimetría
• 5 masas de neutrinos
• 6 teorías propuestas
• 7 ingredientes
• 8 Estado actual
• 9 Ultra unificación
• 10 Véase también
• 11 notas
• 12 referencias
• 13 Lecturas adicionales
• 14 Enlaces externos

Historia

Históricamente, el primer GUT verdadero que se basó en el grupo de Lie simple SU (5), fue propuesto por Howard Georgi y Sheldon Glashow en 1974. El modelo de Georgi-Glashow fue precedido por el modelo semisimple de álgebra de Lie Pati-Salam de Abdus Salam y Jogesh Pati, quien fue pionero en la idea de unificar las interacciones de los indicadores.

El acrónimo GUT fue acuñado por primera vez en 1978 por los investigadores del CERN John Ellis, Andrzej Buras, Mary K. Gaillard y Dimitri Nanopoulos, sin embargo, en la versión final de su artículo optaron por el GUM menos anatómico (Grand Unification Mass). Nanopoulos más tarde ese año fue el primero en usar el acrónimo en un artículo.

Motivación

La suposición de que las cargas eléctricas de electrones y protones parecen cancelarse entre sí con precisión extrema es esencial para la existencia del mundo macroscópico tal como lo conocemos, pero esta importante propiedad de las partículas elementales no se explica en el Modelo estándar de física de partículas.. Mientras que la descripción de interacciones fuertes y débiles dentro del Modelo Estándar se basa en simetrías de calibre gobernadas por los grupos de simetría simple SU (3) y SU (2) que permiten solo cargas discretas, el componente restante, la interacción de hipercarga débil se describe mediante un simetría abeliana U (1) que en principio permite asignaciones de carga arbitrarias. La cuantificación de carga observada, es decir, la postulación de que todas las partículas elementales conocidas llevan cargas eléctricas que son múltiplos exactos de un tercio de la carga "elemental", ha llevado a la idea de que las interacciones de hipercarga y posiblemente las interacciones fuertes y débiles podrían estar incrustadas en una interacción Gran Unificada descrita por un solo grupo de simetría simple más grande que contiene el Modelo Estándar. Esto predeciría automáticamente la naturaleza cuantificada y los valores de todas las cargas de partículas elementales. Dado que esto también da como resultado una predicción de las fuerzas relativas de las interacciones fundamentales que observamos, en particular el ángulo de mezcla débil, la gran unificación reduce idealmente el número de parámetros de entrada independientes, pero también está limitada por las observaciones.

La gran unificación recuerda la unificación de las fuerzas eléctricas y magnéticas de la teoría del electromagnetismo de Maxwell en el siglo XIX, pero sus implicaciones físicas y su estructura matemática son cualitativamente diferentes.

Unificación de partículas de materia.

Para obtener una introducción elemental sobre cómo se relacionan las álgebras de Lie con la física de partículas, consulte Física de partículas y teoría de la representación. Representación esquemática de fermiones y bosones en SU (5) GUT que muestra una división 5 + 10 en los multipletes. Los bosones neutros (fotón, bosón Z y gluones neutros) no se muestran pero ocupan las entradas diagonales de la matriz en superposiciones complejas

SU (5)

Artículo principal: modelo Georgi-Glashow El patrón de isospines débiles, hipercargas débiles y cargas fuertes para partículas en el modelo SU (5), rotado por el ángulo de mezcla débil predicho, muestra la carga eléctrica aproximadamente a lo largo de la vertical. Además de las partículas del Modelo Estándar, la teoría incluye doce bosones X coloreados, responsables de la desintegración de los protones.

SU (5) es la GUT más simple. El grupo de Lie simple más pequeño que contiene el modelo estándar, y en el que se basó la primera Gran Teoría Unificada, es

$$ S U ( 5 ) ⊃ S U ( 3 ) × S U ( 2 ) × U ( 1 ) {\ Displaystyle {\ rm {SU (5) \ supset SU (3) \ times SU (2) \ times U (1)}}}.

Tales simetrías grupales permiten la reinterpretación de varias partículas conocidas, incluidos el fotón, los bosones W y Z y el gluón, como diferentes estados de un solo campo de partículas. Sin embargo, no es obvio que las opciones más simples posibles para la simetría extendida "Gran Unificada" deban producir el inventario correcto de partículas elementales. El hecho de que todas las partículas de materia conocidas actualmente encajen perfectamente en tres copias de las representaciones de grupo más pequeñas de SU (5) y lleven inmediatamente las cargas observadas correctas, es una de las primeras y más importantes razones por las que la gente cree que una Gran Teoría Unificada podría realmente realizarse en la naturaleza.

Las dos representaciones irreductibles más pequeñas de SU (5) son 5 (la representación definitoria) y 10. En la asignación estándar, el 5 contiene los conjugados de carga del triplete de color de quark de tipo descendente para diestros y un doblete de isospín de leptones para zurdos, mientras que el 10 contiene los seis componentes de quark de tipo ascendente, el de tipo descendente para zurdos triplete de color de quark, y el electrón de la mano derecha. Este esquema debe replicarse para cada una de las tres generaciones conocidas de materia. Es de destacar que la teoría está libre de anomalías con este contenido de materia.

Los hipotéticos neutrinos diestros son un singlete de SU (5), lo que significa que su masa no está prohibida por ninguna simetría; no necesita una ruptura espontánea de la simetría, lo que explica por qué su masa sería pesada. (ver mecanismo de balancín ).

ASÍ (10)

Artículo principal: SO (10) (física) El patrón de isospín débil, W, isospín más débil, W ', g3 y g8 fuertes, y barión menos leptón, B, carga las partículas en la Gran Teoría Unificada SO (10), rotada para mostrar la incrustación en E 6.

El siguiente grupo de Lie simple que contiene el modelo estándar es

$$ S O ( 10 ) ⊃ S U ( 5 ) ⊃ S U ( 3 ) × S U ( 2 ) × U ( 1 ) {\ Displaystyle {\ rm {SO (10) \ supset SU (5) \ supset SU (3) \ times SU (2) \ times U (1)}}}.

Aquí, la unificación de la materia es aún más completa, ya que la representación de espinor irreducible 16 contiene tanto el 5 como el 10 de SU (5) y un neutrino diestro, y por lo tanto el contenido completo de partículas de una generación del modelo estándar extendido con masas de neutrinos. Este ya es el grupo simple más grande que logra la unificación de la materia en un esquema que involucra solo las partículas de materia ya conocidas (aparte del sector de Higgs ).

Dado que los diferentes modelos de fermiones estándar se agrupan en representaciones más grandes, las GUT predicen específicamente las relaciones entre las masas de fermiones, como entre el electrón y el quark abajo, el muón y el quark extraño, y el leptón tau y el quark inferior para SU (5) y SO (10). Algunas de estas relaciones de masas se mantienen aproximadamente, pero la mayoría no (ver relación de masas Georgi-Jarlskog ).

La matriz de bosones para SO (10) se encuentra tomando la matriz de 15 × 15 de la representación 10 + 5 de SU (5) y agregando una fila y columna adicionales para el neutrino derecho. Los bosones se encuentran agregando un socio a cada uno de los 20 bosones cargados (2 bosones W diestros, 6 gluones cargados masivos y 12 bosones de tipo X / Y) y agregando un bosón Z neutro extra pesado para formar 5 bosones neutrales en total. La matriz de bosones tendrá un bosón o su nuevo socio en cada fila y columna. Estos pares se combinan para crear las conocidas matrices de espinor de Dirac 16D de SO (10).

E 6

Artículo principal: E6 (matemáticas)

En algunas formas de teoría de cuerdas, incluida la teoría de cuerdas heterótica E 8  × E 8, la teoría tetradimensional resultante después de la compactación espontánea en una variedad Calabi-Yau de seis dimensiones se asemeja a una GUT basada en el grupo E 6. En particular, E 6 es el único grupo de Lie simple excepcional que tiene representaciones complejas, un requisito para que una teoría contenga fermiones quirales (es decir, todos los fermiones que interactúan débilmente). Por lo tanto, los otros cuatro ( G 2, F 4, E 7 y E 8 ) no pueden ser el grupo indicador de una GUT.

Grandes teorías unificadas extendidas

Las extensiones no quirales del modelo estándar con espectros de partículas multiplet divididas similares a vectores que aparecen naturalmente en las SU (N) GUT superiores modifican considerablemente la física del desierto y conducen a la gran unificación realista (escala de cuerdas) para las tres familias convencionales de quark-leptones. incluso sin usar supersimetría (ver más abajo). Por otro lado, debido a un nuevo mecanismo de VEV faltante que emerge en el SU (8) GUT supersimétrico, se puede argumentar la solución simultánea al problema de la jerarquía de calibre (división de doblete-triplete) y al problema de unificación del sabor.

GUT con cuatro familias / generaciones, SU (8): Asumir 4 generaciones de fermiones en lugar de 3 hace un total de 64 tipos de partículas. Estos se pueden poner en 64 = 8 + 56 representaciones de SU (8). Esto se puede dividir en SU (5) × SU (3) F × U (1) que es la teoría SU (5) junto con algunos bosones pesados ​​que actúan sobre el número de generación.

GUT con cuatro familias / generaciones, O (16): nuevamente asumiendo 4 generaciones de fermiones, las 128 partículas y antipartículas se pueden poner en una sola representación de espino de O (16).

Grupos simplécticos y representaciones de cuaterniones

También se podrían considerar grupos de gauge simplécticos. Por ejemplo, Sp (8) (que se denomina Sp (4) en el grupo simpléctico del artículo) tiene una representación en términos de matrices unitarias de cuaterniones de 4 × 4 que tienen una representación real de 16 dimensiones y, por lo tanto, podrían considerarse candidatas a una grupo de calibre. Sp (8) tiene 32 bosones cargados y 4 bosones neutrales. Sus subgrupos incluyen SU (4), por lo que al menos pueden contener los gluones y fotones de SU (3) × U (1). Aunque probablemente no sea posible tener bosones débiles actuando sobre fermiones quirales en esta representación. Una representación de cuaternión de los fermiones podría ser:

$$ [ mi + I mi ¯ + j v + k v ¯ tu r + I tu r ¯ + j D r + k D r ¯ tu gramo + I tu gramo ¯ + j D gramo + k D gramo ¯ tu B + I tu B ¯ + j D B + k D B ¯] L {\ Displaystyle {\ begin {bmatrix} 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}} _ {\ rm {L} }}

Una complicación adicional con las representaciones de cuaterniones de fermiones es que hay dos tipos de multiplicación: multiplicación por la izquierda y multiplicación por la derecha, que deben tenerse en cuenta. Resulta que incluir matrices de cuaterniones 4 × 4 para diestros y zurdos equivale a incluir una única multiplicación a la derecha por un cuaternión unitario que añade un SU (2) extra y, por lo tanto, tiene un bosón neutro extra y dos bosones cargados más. Por lo tanto, el grupo de matrices de cuaterniones 4 × 4 para diestros y zurdos es Sp (8) × SU (2) que incluye los bosones del modelo estándar:

$$ S U ( 4 , H ) L × H R = S pag ( 8 ) × S U ( 2 ) ⊃ S U ( 4 ) × S U ( 2 ) ⊃ S U ( 3 ) × S U ( 2 ) × U ( 1 ) {\ Displaystyle {\ rm {SU (4, H) _ {L} \ times H_ {R} = Sp (8) \ times SU (2) \ supset SU (4) \ times SU (2) \ supset SU ( 3) \ times SU (2) \ times U (1)}}}

Si es un espinor con valor de cuaternión, una matriz de 4 × 4 hermitiana de cuaternión procedente de Sp (8) y es un cuaternión imaginario puro (ambos son bosones de 4 vectores), entonces el término de interacción es: $$

ψ {\ Displaystyle \ psi}$$ A μ a B {\ Displaystyle A _ {\ mu} ^ {ab}}$$ B μ {\ Displaystyle B _ {\ mu}}

$$ ψ a ¯ γ μ ( A μ a B ψ B + ψ a B μ ) {\ Displaystyle {\ overline {\ psi ^ {a}}} \ gamma _ {\ mu} \ left (A _ {\ mu} ^ {ab} \ psi ^ {b} + \ psi ^ {a} B _ {\ mu} \ right)}

Representaciones de octonion

Se puede observar que una generación de 16 fermiones se puede poner en forma de octonión, siendo cada elemento del octonión un vector 8. Si las 3 generaciones se colocan en una matriz hermitiana de 3x3 con ciertas adiciones para los elementos diagonales, estas matrices forman un álgebra de Jordan excepcional (Grassmann-), que tiene el grupo de simetría de uno de los grupos de Lie excepcionales (F 4, E 6, E 7 o E 8) según los detalles.

$$ψ= [ a mi μ mi ¯ B τ μ ¯ τ ¯ C] {\ displaystyle \ psi = {\ begin {bmatrix} a amp; e amp; \ mu \\ {\ overline {e}} amp; b amp; \ tau \\ {\ overline {\ mu}} amp; {\ overline {\ tau}} amp; c \ end { bmatrix}}}

$$[ ψ A, ψ B]⊂ J 3(O) {\ Displaystyle [\ psi _ {A}, \ psi _ {B}] \ subconjunto J_ {3} (O)}

Debido a que son fermiones, los anti-conmutadores del álgebra de Jordan se convierten en conmutadores. Se sabe que E 6 tiene el subgrupo O (10) y, por lo tanto, es lo suficientemente grande como para incluir el modelo estándar. Un grupo de calibre E 8, por ejemplo, tendría 8 bosones neutrales, 120 bosones cargados y 120 anti-bosones cargados. Para tener en cuenta los 248 fermiones en el multiplete más bajo de E 8, estos tendrían que incluir anti-partículas (y por lo tanto tener bariogénesis ), tener nuevas partículas no descubiertas o tener bosones similares a la gravedad ( conexión de espín ) que afectan a los elementos de las partículas. dirección de giro. Cada uno de estos posee problemas teóricos.

Grupos de Beyond Lie

Se han sugerido otras estructuras, incluidas las álgebras de Lie 3 y las superalgebras de Lie. Ninguno de estos encaja con la teoría de Yang-Mills. En particular, las superalgebras de Lie introducirían bosones con estadísticas incorrectas. Sin embargo, la supersimetría encaja con Yang-Mills.

Unificación de fuerzas y el papel de la supersimetría.

La unificación de fuerzas es posible debido a la dependencia de la escala de energía de los parámetros de acoplamiento de fuerzas en la teoría cuántica de campos denominada "ejecución" del grupo de renormalización, que permite que los parámetros con valores muy diferentes a las energías habituales converjan en un solo valor en una escala de energía mucho más alta.

Se ha encontrado que el grupo de renormalización que funciona con los tres acoplamientos de calibre en el modelo estándar se encuentra casi, pero no del todo, en el mismo punto si la hipercarga se normaliza de modo que sea consistente con las GUT de SU (5) o SO (10), que son precisamente los grupos GUT que conducen a una simple unificación de fermiones. Este es un resultado significativo, ya que otros grupos de Lie conducen a diferentes normalizaciones. Sin embargo, si se utiliza la extensión supersimétrica MSSM en lugar del modelo estándar, la coincidencia se vuelve mucho más precisa. En este caso, las constantes de acoplamiento de las interacciones fuerte y electrodébil se encuentran en la gran energía de unificación, también conocida como escala GUT:

$$ Λ INTESTINO≈ 10 dieciséis GeV {\ Displaystyle \ Lambda _ {\ text {GUT}} \ approx 10 ^ {16} \, {\ text {GeV}}}.

Se cree comúnmente que es poco probable que esta coincidencia sea una coincidencia, y a menudo se cita como una de las principales motivaciones para investigar más a fondo las teorías supersimétricas a pesar del hecho de que no se han observado experimentalmente partículas asociadas supersimétricas. Además, la mayoría de los constructores de modelos simplemente asumen la supersimetría porque resuelve el problema de la jerarquía, es decir, estabiliza la masa de Higgs electrodébil contra las correcciones radiativas.

Masas de neutrinos

Desde Majorana masas del neutrino diestro están prohibidas por SO (10) de simetría, SO (10) GUTs predecir las masas de Majorana de neutrinos diestros para estar cerca de la escala GUT donde la simetría se rompe espontáneamente en esos modelos. En las GUT supersimétricas, esta escala tiende a ser más grande de lo que sería deseable para obtener masas realistas de luz, en su mayoría neutrinos zurdos (ver oscilación de neutrinos ) a través del mecanismo de balancín. Estas predicciones son independientes de las relaciones de masa de Georgi-Jarlskog, en las que algunas GUT predicen otras relaciones de masa de fermiones.

Teorías propuestas

Se han propuesto varias teorías, pero actualmente ninguna es universalmente aceptada. Una teoría aún más ambiciosa que incluye todas las fuerzas fundamentales, incluida la gravitación, se denomina teoría del todo. Algunos común de corriente modelos intestinales son:

modelo mínimo de izquierda a derecha - SU (3) C × SU (2) L × SU (2) R × U (1) BL Modelo Georgi – Glashow - SU (5) ASÍ (10) Invertido SU (5) - SU (5) × U (1) Modelo Pati – Salam - SU (4) × SU (2) × SU (2) Volteado SO (10) - SO (10) × U (1)

Trinificación - SU (3) × SU (3) × SU (3) E 6 331 modelo color quiral

No del todo GUT:

Modelos tecnicolor Pequeño Higgs Teoria de las cuerdas Sistemas de fermiones causales

Teoría M Preons Bucle de gravedad cuántica Teoría de la triangulación dinámica causal

Nota: Estos modelos se refieren a álgebras de Lie, no a grupos de Lie. El grupo de Lie podría ser [SU (4) × SU (2) × SU (2)] / Z 2, solo para tomar un ejemplo aleatorio.

El candidato más prometedor es SO (10). (Mínimo) SO (10) no contiene ningún fermión exótico (es decir, fermiones adicionales además de los fermiones del modelo estándar y el neutrino derecho), y unifica cada generación en una única representación irreducible. Varios otros modelos de GUT se basan en subgrupos de SO (10). Son el modelo mínimo de izquierda a derecha, SU (5), SU invertido (5) y el modelo Pati-Salam. El grupo GUT E 6 contiene SO (10), pero los modelos basados ​​en él son significativamente más complicados. La razón principal para estudiar los modelos E 6 proviene de la teoría de cuerdas heterótica E 8 × E 8.

Los modelos GUT predicen genéricamente la existencia de defectos topológicos como monopolos, cadenas cósmicas, paredes de dominio y otros. Pero no se ha observado ninguno. Su ausencia se conoce como el problema de los monopolos en cosmología. Muchos modelos GUT también predicen la desintegración de protones, aunque no el modelo Pati-Salam; La desintegración de protones nunca se ha observado mediante experimentos. El límite experimental mínimo en la vida útil del protón prácticamente descarta el SU (5) mínimo y restringe en gran medida los otros modelos. La falta de supersimetría detectada hasta la fecha también limita muchos modelos.

• Decaimiento de protones. Estos gráficos se refieren a los bosones X y a los bosones de Higgs.
• 

  Desintegración de protones de la dimensión 6 mediada por el bosón X en SU (5) GUT $$

  (3,2 ) - 5 6 {\ displaystyle (3,2) _ {- {\ frac {5} {6}}}}

• 

  Desintegración de protones de la dimensión 6 mediada por el bosón X en SU (5) GUT invertido$$

  (3,2 ) 1 6 {\ displaystyle (3,2) _ {\ frac {1} {6}}}

• 

  Desintegración de protones de la dimensión 6 mediada por el Higgs triplete y el Higgs anti-triplete en SU (5) GUT $$

  T(3,1 ) - 1 3 {\ Displaystyle T (3,1) _ {- {\ frac {1} {3}}}}$$ T ¯( 3 ¯,1 ) 1 3 {\ displaystyle {\ bar {T}} ({\ bar {3}}, 1) _ {\ frac {1} {3}}}

Algunas teorías GUT como SU (5) y SO (10) sufren lo que se llama el problema del doblete-triplete. Estas teorías predicen que para cada doblete de Higgs electrodébil, hay un campo triplete de Higgs de color correspondiente con una masa muy pequeña (muchos órdenes de magnitud más pequeños que la escala GUT aquí). En teoría, al unificar quarks con leptones, el doblete de Higgs también estaría unificado con un triplete de Higgs. Estos trillizos no se han observado. También causarían una desintegración de protones extremadamente rápida (muy por debajo de los límites experimentales actuales) y evitarían que las fuerzas de acoplamiento del calibre funcionen juntas en el grupo de renormalización.

La mayoría de los modelos GUT requieren una réplica triple de los campos de materia. Como tal, no explican por qué hay tres generaciones de fermiones. La mayoría de los modelos GUT tampoco logran explicar la pequeña jerarquía entre las masas de fermiones para diferentes generaciones.

Ingredientes

Un modelo GUT consiste en un grupo gauge que es un grupo de Lie compacto, una forma de conexión para ese grupo de Lie, una acción de Yang-Mills para esa conexión dada por una forma bilineal simétrica invariante sobre su álgebra de Lie (que está especificada por una constante de acoplamiento para cada factor), un sector de Higgs que consta de una serie de campos escalares que toman valores dentro de representaciones reales / complejas del grupo de Lie y fermiones de Weyl quirales que toman valores dentro de una representación compleja del grupo de Lie. El grupo de Lie contiene el grupo de modelo estándar y los campos de Higgs adquieren VEV que conducen a una ruptura espontánea de la simetría con el modelo estándar. Los fermiones de Weyl representan materia.

Estado actual

Actualmente no hay pruebas contundentes de que la naturaleza esté descrita por una Gran Teoría Unificada. El descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos indica que el Modelo Estándar está incompleto y ha generado un renovado interés hacia ciertas GUT como SO (10). Una de las pocas pruebas experimentales posibles de ciertas GUT es la desintegración de protones y también las masas de fermiones. Hay algunas pruebas especiales más para GUT supersimétrico. Sin embargo, la vida útil mínima de los protones de la investigación (en el rango de 10 ³⁴ -10 ³⁵ años o más) ha descartado GUT más simples y la mayoría de los modelos que no son SUSY. El límite superior máximo de la vida útil del protón (si es inestable) se calcula en 6 x 10 ³⁹ años para los modelos SUSY y 1,4 x 10 ³⁶ años para los GUT mínimos que no son SUSY.

Las fuerzas de acoplamiento de calibre de QCD, la interacción débil y la hipercarga parecen coincidir en una escala de longitud común llamada escala GUT e igual aproximadamente a 10 ¹⁶ GeV (un poco menos que la energía de Planck de 10 ¹⁹ GeV), lo cual es algo sugerente. Esta interesante observación numérica se llama unificación de acoplamiento de calibre, y funciona particularmente bien si se asume la existencia de supercompañeras de las partículas del Modelo Estándar. Aún así, es posible lograr lo mismo postulando, por ejemplo, que los modelos SO (10) ordinarios (no supersimétricos) rompen con una escala de calibre intermedia, como la del grupo Pati-Salam.

Ultra unificación

En 2020, una teoría propuesta llamada ultraunificación intenta unir el modelo estándar y la gran unificación, particularmente para los modelos con 15 fermiones Weyl por generación, sin la necesidad de neutrinos estériles diestros al agregar nuevos sectores de fase topológica con huecos consistentes con el cancelación de anomalías globales no perturbativas y restricciones de cobordismo (especialmente del barión menos leptón número B - L, la hipercarga electrodébil Y, y la anomalía mixta calibre-gravitacional como una anomalía de clase Z / 16 Z). Los sectores de fase topológica con huecos se construyen a través de la extensión de simetría, cuya baja energía contiene teorías de campo cuántico topológico invariante de Lorentz (TQFT) unitarias, como TQFT de fase con huecos entrelazados no invertibles de cuatro dimensiones, no invertibles de cinco dimensiones o invertibles de cinco dimensiones. Alternativamente, también podría haber neutrinos estériles diestros, física de unpartículas sin espacios o alguna combinación de teorías de campos conformales interactuantes más generales, para cancelar la anomalía gravitacional de calibre mixto. En cualquier caso, esto implica una nueva frontera de la física de alta energía más allá de la física de partículas de dimensión cero convencional que se basa en nuevos tipos de fuerzas y materia topológicas, incluidos objetos extendidos con huecos como operadores de línea y superficie o defectos de conformación, cuyos extremos abiertos llevan elementos desconfinados. Partículas fraccionadas o excitaciones de cuerdas anónicas. Una caracterización física de estos objetos extendidos con huecos requiere extensiones de conceptos matemáticos como cohomología, cobordismo o categorías en la física de partículas.

Ver también

• Cambio de paradigma
• Teorías clásicas del campo unificado
• Bosones X e Y
• B - L número cuántico

Notas

Referencias

Otras lecturas

• Stephen Hawking, A Brief History of Time, incluye una breve descripción general.
• Langacker, Paul (2012). "Gran unificación". Scholarpedia. 7 (10): 11419. Código bibliográfico : 2012SchpJ... 711419L. doi : 10.4249 / scholarpedia.11419.

enlaces externos

• El álgebra de las grandes teorías unificadas