Teoria della grande unificazione

Infisicalateoria della grande unificazione,nota anche comeGUT(acronimodell'inglesegrand unification theoryogrand unified theory) è un insieme di teorie costruite per ottenere l'unificazione delle treinterazioni fondamentalidescritte dalModello standard.Tra i candidati più plausibili per ilgruppo di simmetriain grado di rappresentare tale unificazione vi sono ilGruppo ortogonaleSO(10) e ilGruppo unitario specialeSU(5). Un interesse particolare è attualmente rivolto alla sottoclasse di teorie che incorporano lasupersimmetria.

Motivazioni

I modelli di grande unificazione si fondano sullo stesso principio alla base delmodello standarddelle interazioni e delle particelle elementari: il principio che sta alla base delle interazioni (o forze) elementari è che ci sia ungruppo di simmetria,detto gruppo di gauge.

Unateoria di gauge,dove ilgruppo di gaugeè un gruppo semplice, ha solo una costante di accoppiamento e quindi un'unica interazione fondamentale. Pertanto, in una teoria di grande unificazione, le tre interazioni indipendenti di gauge del modello standard vengono messe in relazione tra loro. In certe teorie SU(5) supersimmetriche o in certi modelli SO(10) non supersimmetrici, queste relazioni sono compatibili con i valori misurati delle tre interazioni del modello standard.

Inoltre, i 5 campi fermionici chirali (3 quark e 2 leptoni) che costituiscono una "famiglia" del modello standard vengono ridotti a solo 2 campi in SU(5) e a 1 solo campo (detto lo spinore) in SO(10). Il gruppo SO(10) predice anche l'esistenza di unneutrinodestrorso, possibilmente legato alla spiegazione delle masse dei neutrini.

Ogni specifico modello GUT predice delle relazioni tra le masse dei fermioni, per esempio fra l'elettronee ilquark down,ilmuonee ilquark strangee fra illeptonetaue ilquark bottomper SU(5) e SO(10). Si deve sottolineare però che le masse dei fermioni non sembrano spiegate in maniera altrettanto convincente delle interazioni.

Ingredienti

Un modello GUT sostanzialmente consiste di un gruppo di gauge che è ungruppo di Liecompatto, una forma di connessione per quel gruppo di Lie, un'azione di Yang-Millsper quella connessione data da una forma invariante simmetrica bilineare sulla sua algebra di Lie (che è specificata da una coppia di costanti per ciascun fattore), un settore di Higgs consistente in un numero di campi scalari presi sui valori con un rappresentazioni reali/complesse del gruppo di Lie dei fermioni chirali di Weyl presi sui valori con un rappresentante complesso del gruppo di Lie. Il gruppo di Lie contiene il gruppo del Modello Standard e il campo di Higgs conduce alla rottura spontanea di simmetria del modello standard. Il fermione di Weyl rappresenta la materia.

Teorie proposte

Numerose teorie sono state proposte, ma nessuna è attualmente universalmente accettata. Una eventuale più ambiziosa teoria che includa tutte le forze fondamentali (fra cui soprattutto lagravità) è chiamataTeoria del Tutto.I principali modelli di GUT sono:

• modello minimaleleft-right(left-right model) —$SU(3)_{C}\times SU(2)_{L}\times SU(2)_{R}\times U(1)_{B-L}$
• Modello di Georgi-Glashow—$SU(5)$
• SO(10)
• Flipped SU(5)—$SU(5)\times U(1)$
• Modello diPati-Salam—$SU(4)\times SU(2)\times SU(2)$
• flipped SO(10)—$SO(10)\times U(1)$
• Trinification—$SU(3)\times SU(3)\times SU(3)$
• SU(6)
• E₆
• modello 331
• Colore chirale

Teorie non propriamente GUT:

• Modelli multicolore
• Little Higgs
• Preoni
• Teoria delle stringhe
• M-teoria
• Loop Quantum Gravity
• Teoria della triangolazione causale dinamica(Causal dynamical triangulation)

Nota:Questi modelli si riferiscono ad unaalgebra di Lienon aigruppi di Lie.I gruppi di Lie possono essere per esempio [SU(4)×SU(2)×SU(2)]/Z₂.

Previsioni e possibili verifiche sperimentali

Per il momento non c'è alcuna verifica sperimentale diretta della teoria GUT, poiché la tipica scala energetica di grande unificazione dovrebbe essere quella di 10¹³TeVmentre oggigiorno si effettuano esperimenti ad energie dell'ordine di 1TeV(ossia diecimila miliardi di volte meno).

Tra le possibili verifiche indirette della teoria GUT, vanno sottolineate la ricerca didecadimento del protone(non osservato) e la ricerca di masse di neutrini. Quest'ultima ha dato risultati positivi, tramite lo studio delleoscillazioni dei neutrini.Notiamo che la scala di massa delle oscillazioni dei neutrini atmosferici, m(nu)=0.05 eV, suggerisce tramite la formula delseesawm(nu)=v^2/M(dove v=174 GeV) un valore della scala di nuova fisica M intorno a 10¹⁵GeV, vicini alla scala di grande unificazione sopra ricordata.

Alcuni modelli GUT permettono di ottenere stime sull'evoluzione dell'universo. Secondo questi modelli, nei primi istanti di vita dell'universo, si è prodotto un surplus diparticellea discapito delleantiparticelle,che ha portato alla rottura della simmetria tra materia ed antimateria ed ha condotto all'universo che noi osserviamo. In alcuni di questi modelli, l'origine della materia è strettamente collegata con le masse dei neutrini, la cosiddettaleptogenesi.

Infine, bisogna ricordare che la predizione della scala di grande unificazione dipende dal modello specifico, e non esiste ancora un modello universalmente accettato; in particolare, la letteratura scientifica annovera modelli GUT alternativi con nuove particelle potenzialmente osservabili negli acceleratori.

Stato corrente

La scoperta delle oscillazioni del neutrino indica che il modello standard è incompleto e conduce ad interesse rinnovato verso certe GUT come SO(10). L'interesse si sta anche spostando verso particolari GUT supersimmetrici.

Bosoni X e Y

Nella teoria della grande unificazione, ibosoni X e Ysono le particelle elementari ipotetiche, analoghe aibosoni W e Z,responsabili di un nuovo tipo di forza prevista dalla teoria stessa.

Voci correlate

• Interazioni fondamentali
• Bosoni X e Y
• Decadimento del protone
• Fisica delle particelle
• Modello di Kaluza-Klein
• Numero B-L
• QED
• Cromodinamica quantistica
• Supersimmetria
• Modello standard
• Teoria delle stringhe
• Teoria del tutto
• Teoria di gauge
• Energia di grande unificazione

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Collegamenti esterni

• Il Modello standard: tutto quello che i fisici sanno sulle particelle elementari,suinfn.it.URL consultato il 25 settembre 2012(archiviato dall'url originaleil 13 aprile 2013).
• (EN)New Scientist story: Standard Model may be found incomplete,sunewscientist.com.
• (EN)The Universe Is A Strange Place,a lecture by Frank Wilczek,suarXiv.org.
• (EN)Observation of the Top Quarkat Fermilab,suwww-cdf.fnal.gov.
• (EN)Particle Data Group,supdg.lbl.gov.