Büyük birleşik teorinin yeni umudu, protonun çürümesine gerek yok!
Büyük Patlama'dan hemen sonra, evrende yalnızca tek bir temel güç vardı. Evren yavaş yavaş soğudukça, başlangıçtaki temel kuvvetler ikiye, sonra üçe ayrılmaya başladı ve sonunda bugün bilinen dört temel kuvvete dönüştü: yerçekimsel (Kütlesi olan nesneler arasında hareket etme), Zayıf nükleer güç (Parçacıkların bozulmasına hükmeder), Elektromanyetik güç (Yüklü parçacıklar arasında hareket etmek) ve Güçlü nükleer güç (Kuarkları birbirine bağlayın). Fizikçiler her zaman bir Her Şeyin Teorisi Bu dört temel kuvveti birleştirin.
Dört temel kuvvet.
Aslında bilim adamları, yaklaşık 100 GeV'lik yüksek enerji altında elektromanyetik kuvvet ile zayıf nükleer kuvveti birleştirmek için parçacık çarpıştırıcı deneyleri kullandılar. Elektro zayıf kuvvet "Bu tür bir deney, Big Bang'den sonra saniyenin trilyonda biri (10-12 saniye) ortamını simüle ediyor.
Ama soru şu, Big Bang'den 10-36 saniye sonra ne oldu? Teorik olarak, elektrozayıf kuvvet, güçlü nükleer kuvvet ile birleştirilebilir. Böyle büyük bir birleşik rüya 1974'te başladı. Sheldon Glashow ve Howard Georgi matematiksel simetri grupları SU (3), SU (2) ve U (1) keşfetti - güçlü nükleer kuvvet, zayıf nükleer kuvvet ve Elektromanyetik kuvvetler birlikte parçacık fiziğinin standart modelini oluşturur - daha büyük tek bir simetri grubuna dahil edilebilir: SU (5) Ve bilinen tüm parçacıkları dahil edin.
Erken evrenin yüksek enerjisi altında, dört temel kuvvetin tümü birleştirilebilir. | Resim kaynağı: simetri dergisi
SU (5) 'te, tüm parçacıklar beşgen ve ongenlerin matematiksel yapıları olarak temsil edilebilir. Örnek olarak bir beşgeni ele alalım, her iki tarafı da bir kuarkı veya bir leptonu temsil eder (kuarklar ve leptonlar temel parçacıklardır). Fakat matematikte, beşgenin her iki tarafı aynıdır, bu modelde kuarklar ve leptonlar arasında ayrım yapamayız. Ancak evren soğuduğunda bu simetri kırılacak ve bu mecazi beşgen parçalara dönüşecek, her parça bir kuarkı veya bir leptonu temsil ediyor.
SU'nun (5) bir yan etkisi, kuarklar ve leptonlar arasında ek bir etkileşimi öngörmesidir. Bu, protonu oluşturan üç kuarktan birinin kendiliğinden bir lepton haline geldiği zaman protonun bozunduğu anlamına gelir.
Proton bozunması, Büyük Birleşik Teorinin önemli bir tahminidir. | Resim kaynağı: simetri dergisi
Protonlar bozunabilir , Büyük Birleşme Teorisinin çok önemli bir öngörüsüdür. Ancak tek sorun, deneyin henüz herhangi bir proton bozunması belirtisi gözlemlememiş olmasıdır. Örneğin, Japonya'nın Süper Kamioka detektörü bozunma protonları tarafından yayılan radyasyonu izlemek için çalışıyor, ancak herhangi bir bozulma kanıtı gözlemlemedi. En son araştırma sonuçları, proton ömrünün alt sınırını 1,6 × 10-34 yıla çıkardı; bu, SU tarafından tahmin edilenden birkaç kat daha fazladır (5).
Büyük birleşik teori, tek bir ilk temel kuvvetin, bugün temel parçacıklara hakim olan güçlü nükleer kuvveti, zayıf nükleer kuvveti ve elektromanyetik kuvveti ayırdığına inanmaktadır. Bu doğruysa, bu büyük birleşik kuvvet yeniden ortaya çıktığında proton bozunmalıdır. Şekilde, protonların bozunma yolunu görebiliriz: 1, biri karşılık gelen bir leptona dönüşecek ve koni şeklindeki Cherenkov radyasyonunu serbest bırakacak olan üç kuarktan oluşan bir protonu temsil eder, diğer iki kuark Kısaca kararsız bir mezon oluşturacak ve sonra hemen her biri koni şeklinde radyasyon yayan iki gama ışınına dönüşecek. Büyük Birleşik Teorinin birçok farklı modeli vardır.Süper Kamioka dedektörünün sonuçları bazı teorileri (kırmızı yatay çubuklar) hariç tutar ve bazı modeller hala doğru olabilir (yeşil yatay çubuklar). | Resim kaynağı: quanta dergisi
SU (5) modeli olabildiğince basitti, ancak araştırmacılar, mevcut parçacıkların içlerine gömülmesine izin veren bir dizi simetri grubu buldular.Ek özellikleri ve değişkenleri, protonların ömürlerini uzatmalarına izin vererek önceki deneylerde verilen sonuçları aştı. Bu modellerden bazıları ekstra bir simetri ekler ve " Süper simetri "Bu, parçacık sayısını anında ikiye katladı. Ancak sorun şu ki, CERN'deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı herhangi bir süpersimetri kanıtı bulamadı.
Protonların bozunmasını gözlemlemesek veya süpersimetri teorisinin öngördüğü yeni parçacıkları keşfetmemiş olsak da, birçok insan hala büyük birleşik teorinin doğru olduğuna inanıyor. Ünlü parçacık fizikçisi John Ellis'in dediği gibi: "Büyük Birleşik Teorinin felsefi motivasyonu hala var ve her zamanki kadar önemli. Süpersimetri teorisini hala seviyorum ve ayrıca Büyük Birleşik Teori'ye de takıntılıyım." Büyük Birleşik Teorinin bilim adamları, protonların ömrünün mevcut dedektörlerin yeteneklerini biraz ya da çok aşabileceğine inanıyor. Bu nedenle, umutlarını yalnızca Japonya'daki Hyper-K deneyi ve Amerika Birleşik Devletleri'ndeki DUNE deneyi gibi daha büyük dedektörlere bağlayabilirler. Elbette, ilk olarak büyük birleşik teoriyi öneren Glashow gibi, büyük birleşik teoriye olan ilgisini tamamen kaybeden insanlar var.
Büyük Birleşik Teorinin Geliştirilmesi: Standart Modelin parçacıkları ve temel kuvvetleri, gittikçe karmaşıklaşan Büyük Birleşik Teori'ye karşılık gelen daha büyük ve daha büyük simetri gruplarına gömülebilir. Yukarıdaki şekil Büyük Birleşik Teorinin bazı iki boyutlu projeksiyonlarını göstermektedir. Parçacıkların elektrik yüklerine göre gri eksen boyunca dizildiğini görebiliriz. Kuvvet taşıyan parçacıklar (bozonlar) daireler ve karelerle temsil edilir ve maddeyi oluşturan parçacıklar (fermiyonlar) diğer çokgenlerle temsil edilir. | İmaj Kredisi: Temel Parçacık Kaşifi, Garrett Lisi, Troy Gardner ve Greg Little
Gelecekteki deneylerin sonuçlarını beklemeye ek olarak, başka bir olasılık var mı: Proton bozunmazsa, büyük birleşik teori hala uygulanabilir mi? San Diego, California Üniversitesi'nden Bartosz Fornal ve Benjamín Grinstein, yakın tarihli bir makalede, proton bozunması gerektirmeyen SU'ya (5) dayanan büyük bir birleşik teori geliştirdiler.
Yeni modelde Fornal ve Grinstein, SU (5) 'e biri 40 kenarlı, diğeri 50 kenarlı olmak üzere iki yeni yapı ekledi. Bu yapılar ağır alanları temsil eder, elektrozayıf kuvvet ile güçlü nükleer kuvveti birleştirmeye yardımcı olurlar ve protonların bozulmasını önleyebilirler. Aynı zamanda, kurdukları teorinin süpersimetri teorisine başvurmasına gerek yoktur. Elde ettikleri sonuçlar, bu olgun alanın hala zenginlik ve çekicilikle dolu olduğunu bir kez daha gösteriyor.
Ardından, tüm yapmaları gereken, 2012'de keşfedilen Higgs bozonunun neden beklenenden daha hafif bir kütleye sahip olduğunu açıklamak için bu yeni modeli kullanmak. Bu, teoriye ek bir alan eklenerek çözülebilir. Bu yöntemin bazen çok faydalı olduğu kanıtlanmıştır.Örneğin, tüm parçacıkların kütlesinin kökeninin gizemini açıklamak için fizikçiler teoriye bir Higgs alanı eklediler ve bunun doğru olduğu deneylerle kanıtlandı. Ayrıca teoriyi revize ederek karanlık madde parçacığı adaylarını modele dahil etmeyi umuyorlar.
Yeni deneysel sonuçları beklemeden önce, belki de bu denemeye değer bir yöndür.
https://arxiv.org/abs/1610.03597
https://arxiv.org/abs/1706.08535
https://www.quantamagazine.org/no-proton-decay-means-grand-unification-must-wait-20161215/
https://www.symmetrymagazine.org/article/a-gut-feeling-about-physics
