Büyük birleşim kuramı
Büyük birleşim kuramı yüksek enerjili parçacık fiziğinin bir modelidir. Elektromanyetik, güçlü ve zayıf etkileşimler, standart modeli tanımlayan üç ayar simetrisidir. Bu üç ayar simetrisi birbirine karışıp tek bir kuvvet oluştururlar. Bu birleşik etkileşim daha büyük bir ayar simetrisi ile nitelendirilir ve böylece *çeşitli kuvvet taşıyıcıları ama bir birleştirme sabiti*
Eğer bu büyük birleşme doğada bulunursa, önemli kuvvetlerin yeterince belirgin olmadığı eski bir evrende büyük birleşme döneminin olabilme ihtimali vardır.
Ayar simetrisi gibi bir basit grup kullanarak her etkileşimde birbirine karışamayabilen ama bazı yarı basit grupları kullanan modeller benzer özellik gösterebilirler ve bazı büyük teoriler olarak adlandırılır.
Diğer üç etkileşimli birleştirici yerçekiminin birbirine karışması büyük bir birleşim kuramından ziyade her şeyin teorisi olarak görülür. Ama yine de büyük birleşim kuramları her şeyin teorisine karşı bir ara aşama olarak görülür.
Büyük birleşim kuramı tarafından tahmin edilen novel parçacıklarından GUT ölçeği etrafında kütle olmaları sadece birkaç sıra şeklinde plank ölçeğinin altında bekleniyor ve bu yüzden büyük birleşim kuramı tarafından tahmin edilen novel parçacıkları herhangi bir öngörülmüş parçacık çarpıştırıcısı deneylerinin ötesinde olacaktır. Bu nedenle, büyük birleşim kuramı modelleri tarafından tahmin edilen parçacıklar direkt olarak beklenen yapamaz ve bunun yerine büyük birleşmenin etkileri gibi dolaylı gözlemlerle tespit edebilecek proton ayrışması temel parçacıkların elektrik dipol momentleri ya da nötronların özellikleri gibi. Bunun yanında bazı büyük birleşim kuramları manyetik kutupların varlığını tahmin eder.
2012 itibariyle tamamen gerçekçi olmayı hedefleyen büyük birleşim kuramı modelleri standart model ile karşılaştırılınca oldukça karmaşıktır. Çünkü birleşim kuramı modellerinin ek olanları ve etkileşimleri ve hatta uzayın ek boyutlarını tanıtmaya ihtiyaçları vardır. Bu karmaşıklığın başlıca nedenlerinde fermiyon kütleleri tarafından gözlemlenen çoğalmanın zorluğu ve açıların karışması zorluğu yatar. Bu zorluk nedeni ile ve bugüne kadar büyük birleşmenin herhangi bir gözlenen etkisinin olamaması nedeniyle hiçbir büyük birleşim kuramı kabul görmemiştir.
Motivasyon
Aslında elektrik yüklerinin elektron ve protonları birbirlerine karşı hükümsüz gözükse de birbirlerine karşı aşırı hassas olma durumu bütün bildiğimiz makroskopik dünyanın varlığı için geçerlidir, ancak temel parçacıkların bu önemli özelliği parçacık fiziğinin standart modelinde açıklanmıştır. Standart model içindeki güçlü ve zayıf etkileşimlerin tanımı basit simetri grupları SU3 ve SU2 tarafından yönetilen ayar simetrisine dayanır. Bu SU3 ve SU2 sadece ayrık yüzlere , kalan bileşene ve keyfi yük geçişlerine izin veren obelion simetrisi ile tanımlanan zayıf hiperyük etkileşimine izin verir. Gözlenen yüklerin nicelenmesi, yani aslında bilinen tüm temel parçacıkların, temel parçacığın 1/3’ünün tam katları gibi görünen elektrik yükünü taşıması ; hiperyük etkileşimleri ve muhtemel güçlü ve zayıf etkileşimler. Standart model içeren tek,büyük basit simetri grubu ile tanımlandırılan büyük birleşim etkileşiminin içinde yer alabilir fikrine yol açmıştır. Bu istemsiz olarak tüm temek parçacık yüklerinin değerleri ve belirli dereceye kadar enerji içeren doğa olarak tahmin edilmiştir. Bu bir de gözlemlediğimiz temel etkileşimlerinin göreceli güçleri tahminiyle ve özellikle zayıf karışım açısı tahmini ile sonuçlandığı için, büyük birleşme bağımsız giriş parametreleri sayısı kusursuz bir şekilde zaldı ve bir de gözlemlerle sınırlandırıldı. Büyük birleşme 17. Yüzyılda Maxwell’in elektromanyetizma teorisi tarafından elektrik ve manyetik güçlerin birleştirilmesi olduğunu hatırlatır. Ama fiziksel etkileri ve matemetiksel yapısı niteliksel bir şekilde farklıdır.
Güçlerin Birleştirilmesi ve Süpersimetri Rolü
Kuvvetlerin birleştirilmesi kuantum alan teorisindeki kuvvet bağlama parametrelerinin enerji ölçek bağımlılığı sayesinde mümkündür. Bu kuantum alan teorisindeki kuvvet parametrelerini renormalizasyon grubu çalışması da denilebilir. Bu renormalizasyon grup çalışması çok farklı değerlere sahip parametrelerin çok daha yüksek enerji ölçeğinde tek bir değere yaklaşmasına izin verir.
Standart modeldeki üç ayar bağlantısının renormalizasyonu grup çalışması neredeyse bulunmuştur. Ama tamamen değil, eğer hiperyük normalize edilmişse aynı noktada bir oraya gelirler. Böylece basit bir fermisyon birleşmesine sebep olan belli büyük birleşim teori grupları olan SU5 veya SO10 ile bu durum tutarlıdır. Farklı normalizasyonlara sebep olan diğer gruplar önemli bir sonuçtur. Ancak, eğer süpersimetri varlığı MSSM standart model yerine kullanılıyorsa eşleşme çok daha doğru hale gelir. Bu durumda, güçlü ve zayıf etkileşimlerin birleşme sabitleri büyük birleşim teorisi ölçeği olarak bilinen birleşme enerjisi ile buluşur.
Genellikle birleşmelerin bir tesadüf olması mümkün değildir görüşüne inanılır ve genellikle ana motivasyonlardan biri olarak hiçbir süpersimetri ortak parçacıklarının deneysel olarak gözlenmesine rağmen süpersimetri teorilerini araştırmak için bu eşleşme tekrarlanır (Nisan, 2015). Ayrıca, bir model yapan, basitçe süpersimetri varsayar çünkü süpersimetri hiyerarşi problemini çözer. Başka bir deyişle, süpersimetri, ışınımsal düzeltmelere karşı zayıf Higgs kütleleri dengeler. [1]
Nötrino Kütleleri
Sağa sıfır yüklü ve sıfır kütleli temel parçacıklar Majorana kütleleri SO10 simetrisi tarafından yasaklanmıştır. SO10 büyük birleşim teorileri Sağa sıfır yüklü ve sıfır kütleli temel parçacıkların Majorana kütlelerini simetrinin kendiliğinden kırık olan bu modellerde, büyük birleşim teorileri ayarına yakın olmak için kabul edeceğini tahmin eder. Büyük birleşim teorilerinin süpersimetrisinde, bu ayarın daga büyük olma eğilimi ; ışığın gerçekçi kütleleri çoğunlukla sola sıfır yüklü ve sıfır kütleli temel parçacıkların ‘seesaw’ mekanizması yoluyla elde edilmesi için arzu edilen bir durumdur.
Önerilen Teoriler
Birçok teori öne sürülmüştür ancak hiçbiri şu anda evrene tam olarak kabul edilmemiştir. Yerçekimi dahil olmak üzere bütün temek güçleri içeren iddialı bir teori her şeyin teorisi olarak adlandırılır.
Bazı yaygın ana büyük birleşim teori modelleri:
En küçük sol-sağ modeli— SU(3)C × SU(2)L × SU(2)R × U(1)B-L
Georgi-Glashow modeli— SU(5) × U(1)
SO(10)
Ters dönmüş SU(5) — SU(5) × U(1)
Pati-Salam modeli — SU(4) × SU(2) × SU(2)
Ters dönmüş SO(10) — SO(10) × U(1)
Trinification — SU(3) × SU(3) × SU(3)
SU(6)
E6
331 modeli
Kiral renk
Tam büyük birleşim teorileri olmayan modeller:
Technicolor models
Little Higs
String theory
Causal fermion systems
NOT: Bu modeler Lie algebras’a ait sayılır, Lie gruplara değil. Lie gruplar [SU(4) × SU(2) × SU(2)]/Z2 olabilir. Bu sadece rastgele bir örnektir.
En uygun aday SO(10) dur. En küçük SO(10) hiçbir ekzotik fermiyonları içermez. Başka bir deyişle, egzotik fermiyonlar standart model fermiyonlarının yanı sıra ek fermiyonları ve sağa sıfır yüklü ve sıfır kütleli temel parçacıklardır. En küçük SO(10) her neslin içindeki tekli indirgenemez sembolü birleştirir. Diğer böyle birleşim teori modellerinin sayısı SO(10)’nun alt gruplarına dayalıdır. Bunlar en küçük sol-sağ modeli , ters dönmüş model ve pati-salam modelidir. E6 grubu SO(10) içerir. Ama buna dayalı modeller çok daha karışıktır. Bu araştırmanın birincil nedeni E8xE8 heterotic string teorisinden gelen E6 modelleridi. Genel olarak büyük birleşim teori modelleri : tek kutuplar, kozmik dizeler, etki olan kuvvetleri ve diğerleri gibi topolojik kusurların varlığını tahmin eder. Ama hiçbiri gözlenmemiştir. Bunların yokluğu kozmolojideki tek kutup sorunu olarak bilinir. Pati-salam modeli olmamasına rağmen çoğu büyük birleşim teori modelleri de proton parçalanmasına ön görüde bulunur.
Geçerli deneyler hala proton parçalanmasını tespit edememiştir. Oldukça fazla olan proton ömrünün bu deneysel sınırı, minimal SU(5)’i dışlamıştır. Bazı büyük birleşim teori modelleri örneğin SU(5) ve SO(10), ikili-üçlü problem olarak adlandırılan şeyden dolayı srounlar yaşıyor. Bu teoriler, her elektro-zayıf Higgs doublerleri için, çok küçük bir kitle ile renkli Higgs üçlü olanın cevabını verebileceğini tahmin ediyor. Bu küçük bir kitle büyük birleşim teorisinin buradaki ayarından küçük, büyüklüğün birçok dizisidir.
Bazı SU(5) ve SO(10) gibi büyük birleşim teorileri onların ne şekilde adlandırıldığı konusunda sıkıntı yaşarlar. Mesela, dublet-triplet soruları gibi. Bu teoriler her bir zayıf elektro Higgs dubletlerinin çok küçük bir Higgs triplet kütlesi ile renklendiğine karşılık geldiğini öngörür. Teoride leptonlara sahip birleştirici kuarklar yani Higgs doublet, ayrıca Higgs triplet ile birleştirici olacaktır. Bu olay henüz görülmemiştir. Onlar bir de son derece proton parçalanmasına neden olur.(şimdiki deneysel limitlerin çok aşağısında) ve onlar normalize grupların birlikte çalışmasıdan gelen ayar bağlama güçlerinden kaçınırlar.
Birçok büyük birleşim teorisi modelleri madde alanının üç kat çoğalmasına ihtiyaç duyar. Bu nedenle, onlar fermiyonların üç jenerasyon var olduğunu açıklayamaz. Bir de birçok büyük birleşim teori modelleri farklı jenerasyonlar için fermiyon kütleleri arasındaki ufak hiyerarşiyi açıklamakta başarısız olur.
Şu Anki durum
2012 itibari ile, büyük birleşim teorisi tarafından tanımlanan doğaya dair kesin bir kanıt yoktur. Üstelik Higgs parçacığının gözlenmesine dair hiçbir fikrimiz olmadığı için, daha küçük eletrozayıf birleşmesi hala beklemededir. Nötruno salınımlarının keşfi standart modelin eksik olduğunu ve belirli büyük birleşim teorilerine örneğin SO(10)’ a karşı yenilenen ilgiye yol açtığını belirtir. Bazı büyük birleşim teorilerinin bazı mümkün deneysel testlerinden biri proton parçalanmasınıdır e bir de fermiyon kütleleri. Süpersimetri büyük birleşim teorileri için birkaç tane özel tesler vardır. QCD’nin ayar birleştirme güçleri,zayıf etkileşim ve hiperyük; büyük birleşim teorisi ayarı/ölçeği olarak adlandırılan ortak bir uzunluk ölçeğinde buluşur gibi gözükür ve eşitlik yaklaşıl olarak biraz akıl çelen 1016GeV dur. Bu ilginç sayısal gözlem ‘gauge coupling unification’ olarak adlandırılır, ve özellikle de eğer bir standart model parçacıklarının süperpartner varlığını varsayarak çalışır. Hala ulaşacağımız yeri varsayarsak mümkündür.
Ayrıca bakınız
- Paradigm shift
- Classical unified field theories
- X and Y bosons
- B − L quantum number
Notes
Kaynakça
Daha ayrıntılı okumalar
- Stephen Hawking, A Brief History of Time, includes a brief popular overview.