Теории Великого объединения
Теории Великого объединения, ТВО[1] (англ. Grand Unified Theory, GUT) — в физике элементарных частиц группа теоретических моделей, описывающих единым образом сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия. Предполагается, что при чрезвычайно высоких энергиях (выше 1014 ГэВ) эти взаимодействия объединяются.[2][3] Хотя это единое взаимодействие не наблюдалось непосредственно, многие модели ТВО предсказывают его существование. Если объединение этих трех взаимодействий возможно, это поднимает вопрос о том, что в очень ранней Вселенной была великая объединительная эпоха, в которой эти три фундаментальных взаимодействия еще не были разделены друг от друга.
Эксперименты подтвердили, что при высокой энергии электромагнитное взаимодействие и слабое взаимодействие объединяются в единое электрослабое взаимодействие. Модели ТВО предсказывают, что при достаточно высоких энергиях, сильные взаимодействия и электрослабые взаимодействия объединяются в одно электроядерное взаимодействие. Это взаимодействие характеризуется одной единой калибровочной симметрией и, следовательно, несколькими носителями силы, но одной унифицированной константой связи[4]. Объединение гравитации с электроядерным взаимодействием привело бы скорее к теории всего (TВ), а не ТВО. ТВО часто рассматривается как промежуточный этап на пути к TВ.
Ожидается, что новые частицы, предсказанные моделями ТВО, будут иметь чрезвычайно высокие массы порядка ГэВ — всего на несколько порядков ниже Планковской энергии ГэВ — и, таким образом, находиться далеко за пределами досягаемости любого эксперимента с коллайдерами частиц в обозримом будущем[5][6]. Таким образом, частицы, предсказанные моделями ТВО, не смогут быть наблюдаемы непосредственно, а вместо этого эффекты Великого объединения могут быть обнаружены через косвенные наблюдения, такие как распад протона[5], электрические дипольные моменты элементарных частиц или свойства нейтрино[7]. Некоторые теории, такие как модель Пати — Салама, предсказывают существование магнитных монополей.
Модели ТВО, которые стремятся быть полностью реалистичными, довольно сложны, даже по сравнению со Стандартной моделью, потому что им нужно ввести дополнительные поля и взаимодействия, или даже дополнительные измерения пространства.[8][9] Основная причина такой сложности кроется в трудностях воспроизведения наблюдаемых фермионных масс и углов смешения, которые могут быть связаны с существованием некоторых дополнительных симметрий, выходящих за рамки обычных моделей ТВО. Из-за этой трудности, а также из-за отсутствия какого-либо наблюдаемого эффекта ТВО до сих пор общепринятой модели ТВО не существует.