大統(tǒng)一理論（Grand Unified Theory，簡(jiǎn)稱(chēng)GUT）最初在20世紀(jì)70年代提出，試圖將電磁力、弱相互作用力和強(qiáng)相互作用力三種基本相互作用統(tǒng)一在一個(gè)數(shù)學(xué)框架下，系統(tǒng)地描述它們之間的聯(lián)系。 這三種力與引力一起構(gòu)成了我們所熟知的宇宙中的四種基本作用力。 在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步企圖將四種基本力統(tǒng)一在一起的理論，被稱(chēng)為“萬(wàn)有理論”（Theory of Everything,簡(jiǎn)稱(chēng)TOE）。這是物理學(xué)中一個(gè)更加宏大的概念，并且至今尚未完成。 物理學(xué)家希望通過(guò)大統(tǒng)一理論可以更深入透徹地理解宇宙學(xué)的基本規(guī)律。若能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電磁力、強(qiáng)核力和弱核力三者的統(tǒng)一，這便表明存在一種可能性，即在宇宙形成的初期，當(dāng)這三種基本作用力還未明顯區(qū)分開(kāi)來(lái)的階段，宇宙曾經(jīng)經(jīng)歷了一個(gè)大統(tǒng)一的時(shí)代。
雖然理論上大統(tǒng)一理論（GUT）旨在比標(biāo)準(zhǔn)模型提供一個(gè)更為簡(jiǎn)潔的描述，來(lái)統(tǒng)一基本自然力的框架，但在實(shí)踐中，目前構(gòu)想的GUT模型其實(shí)相當(dāng)復(fù)雜。這是因?yàn)檫@些模型需要額外引入新的場(chǎng)、相互作用類(lèi)型，甚至可能需要加入更多的空間維度來(lái)構(gòu)建。正由于這些增加的復(fù)雜性，截至目前，還沒(méi)有一個(gè)完美的GUT模型被廣泛接受或確認(rèn)。
研究歷史
在物理學(xué)的探索歷程中，電磁力、弱相互作用力、強(qiáng)相互作用和萬(wàn)有引力四種基本自然力構(gòu)成了宇宙的框架。 盡管這些力在宇宙中無(wú)處不在，但實(shí)際上它們的強(qiáng)度、相互作用方式以及表現(xiàn)出的物理屬性都存在著極大的差異。
愛(ài)因斯坦“大統(tǒng)一”概念
20世紀(jì)初期，物理學(xué)家阿爾伯特·愛(ài)因斯坦在推翻了傳統(tǒng)的物理觀念并提出廣義相對(duì)論之后，就致力于追求一個(gè)更為宏大的目標(biāo)：尋找一種統(tǒng)一的理論來(lái)解釋所有相互作用，也可以說(shuō)是解釋一切物理現(xiàn)象。 愛(ài)因斯坦深信自然界在其核心采取的規(guī)則是簡(jiǎn)單而優(yōu)雅的，自然科學(xué)中“統(tǒng)一”的概念或許是一個(gè)最基本的法則。愛(ài)因斯坦人生后半階段都致力于研究“大統(tǒng)一理論”，試圖通過(guò)“弱作用，磁場(chǎng)，強(qiáng)作用”的統(tǒng)一思維來(lái)簡(jiǎn)單的解釋宇宙，進(jìn)一步將當(dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)的四種相互作用統(tǒng)一到一個(gè)理論框架下，從而找到這四種相互作用產(chǎn)生的根源。 但最終因?yàn)楫?dāng)時(shí)理論和實(shí)驗(yàn)的限制，直到他1955年逝世也未能得出滿意的解答。阿爾伯特·愛(ài)因斯坦將他尚未完成的理論比喻為一頭獅子的尾巴，他堅(jiān)信尚未揭露的全部規(guī)律就像一頭氣勢(shì)宏偉的獅子，盡管我們暫時(shí)只看到了它的尾巴。 他推測(cè)，這些基本力可能只是更為復(fù)雜和宏觀結(jié)構(gòu)的一部分——就如同獅子的尾巴所示，這個(gè)宏大的“獅子”可能就是存在于更高維度的宇宙。 雖然愛(ài)因斯坦并未在有生之年找到他一心追求的“大統(tǒng)一理論”，但他的不懈探索為后來(lái)的物理學(xué)家們指明了方向，開(kāi)辟了通往構(gòu)建更為完備物理理論的道路。
夸克
在20世紀(jì)50年代，粒子物理學(xué)界面臨大量未解之謎。當(dāng)時(shí)的科學(xué)家們探測(cè)到了比原子核更小的粒子存在，且種類(lèi)繁多，讓人難以將它們歸入一個(gè)整齊的理論框架中。這段時(shí)間也被稱(chēng)為“基本粒子物理的混亂時(shí)期”。
然而，在20世紀(jì)60年代初，隨著理論物理學(xué)家墨里·蓋爾曼（安迪·穆雷 Gelmann）和喬治·茨威格（George Zweig）獨(dú)立提出了夸克模型，這種情況開(kāi)始出現(xiàn)轉(zhuǎn)機(jī)。 他們提出夸克是質(zhì)子和中子的基本組成部分。夸克模型的提出不僅為數(shù)量繁多的次原子粒子提供了一個(gè)統(tǒng)一的解釋?zhuān)€預(yù)測(cè)了更多的粒子存在，擴(kuò)展了人們對(duì)物質(zhì)基本單位的理解。
這個(gè)理論的提出雖然只解開(kāi)了基本粒子物理學(xué)宏大謎題中的一小部分，但為該領(lǐng)域帶來(lái)了希望和方向，為研究者們提供了尋找更多基本粒子以及構(gòu)建更深層次物理規(guī)律的理論支撐。后續(xù)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了夸克的存在，也為默里·蓋爾曼和莉絲白·茨威格等人的理論工作提供了支持。
弱電統(tǒng)一理論
在20世紀(jì)的50年代末和60年代初期，自發(fā)對(duì)稱(chēng)破缺的概念在粒子物理領(lǐng)域取得了重要突破。 早在1956年，科學(xué)家李政道和楊振寧就發(fā)現(xiàn)了在弱核力相互作用過(guò)程中存在著對(duì)稱(chēng)性的缺失的現(xiàn)象，即觀察到了手征對(duì)稱(chēng)性的非保守性特征，對(duì)稱(chēng)狀態(tài)的破缺也會(huì)導(dǎo)致物理現(xiàn)象的多樣性。 在物理領(lǐng)域，研究這種對(duì)稱(chēng)性如何被打破能夠幫助科學(xué)家揭示現(xiàn)象背后的深層聯(lián)系以及理解它們的特異性。
到了1965年，物理學(xué)家斯蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）開(kāi)展了關(guān)于自發(fā)對(duì)稱(chēng)破缺的研究，并逐步認(rèn)識(shí)到采用此理論的分析方法有助于闡明宇宙中各種基礎(chǔ)力之間存在的本質(zhì)差異，并且有可能是未來(lái)探索力的統(tǒng)一描述的關(guān)鍵路徑。 1976年，斯蒂文·溫伯格首次提出了著名的Weinberg-Salam模型，解釋了兩種基本力——電磁力和弱核力——在高能量下實(shí)際上是單一的相互作用，也就是電弱統(tǒng)一模型。 為β衰變提供了一個(gè)更全面的理論框架，成為物理學(xué)史上一篇里程碑式的工作，也為粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型理論的形成提供了基石。
理論模型
歷史上第一個(gè)真正的 GUT 是由哈沃德·喬吉（Howard Georgi）和格拉肖（Sheldon Glashow）于 1974 年提出的，它基于簡(jiǎn)單的 Lie 群 SU(5)。 此模型擴(kuò)展了當(dāng)時(shí)已知的弱電統(tǒng)一理論，并引導(dǎo)了之后幾十年大統(tǒng)一理論的研究方向。 這一工作也為他們兩人在粒子物理學(xué)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。1973年，美國(guó)科學(xué)家帕提（Jogesh Pati，1937- ）和薩拉姆提出了統(tǒng)一描述夸克和輕子的帕提-薩拉姆模型，預(yù)言了質(zhì)子的衰變。 理論中預(yù)言的質(zhì)子衰變尚未被實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到。
歐洲核子研究中心的研究人員約翰-埃利斯（John Ellis）、安杰伊-布拉斯（Andrzej Buras）、瑪麗-K-蓋拉德（Mary K. Gaillard）和迪米特里-納諾普洛斯（Dimitri Nanopoulos）于 1978 年首次提出了 GUT 這一縮寫(xiě)，但在他們論文的最終版本中，他們使用了GUM（大統(tǒng)一質(zhì)量）。 同年晚些時(shí)候，納諾普洛斯（Nanopoulos）是第一個(gè)在論文中使用這一縮寫(xiě)的人。
由于量子引力仍然是一個(gè)未解問(wèn)題，因此目前談?wù)摰乃^大統(tǒng)一理論并不包括萬(wàn)有引力。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步企圖將四種基本力統(tǒng)一在一起的理論，被稱(chēng)為“萬(wàn)有理論”（Theory of Everything,TOE）。 這是物理學(xué)中一個(gè)更加宏大的概念，并且至今尚未完成。
四種基本力
基本相互作用，也被稱(chēng)作基本交互作用或自然界的四大力，是物理學(xué)中描述物質(zhì)之間最根本聯(lián)系的力，主要指電磁力、強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力和萬(wàn)有引力。 目前已知的所有物理現(xiàn)象，無(wú)論是在微小的原子尺度上還是在浩瀚的宇宙級(jí)別，都可以通過(guò)這四種核心力量的原理來(lái)理解和闡釋。 這些宇宙基本力構(gòu)成了自然界運(yùn)作的基石。
電磁相互作用
磁力（Electromagnetic Force）是帶電荷（或磁矩）的粒子處于磁場(chǎng)、電場(chǎng)或電磁場(chǎng)中所經(jīng)歷的作用力。這種力是通過(guò)光子傳遞的，而電荷是粒子固有的屬性。 詹姆斯·麥克斯韋于1861年將法拉第的在實(shí)驗(yàn)中的發(fā)現(xiàn)從數(shù)學(xué)角度加以解讀和整合，得到了著名的麥克斯韋方程組，揭示了電和磁是電磁現(xiàn)象的同一種基本相互作用的兩個(gè)方面的底層邏輯。
在電動(dòng)力中里，電磁力稱(chēng)為洛倫茲力。考慮一個(gè)帶電粒子在電磁場(chǎng)中所受的作用力，洛倫茲力定律表示為：。 而當(dāng)討論延伸至相對(duì)論性量子場(chǎng)論時(shí)，在量子電動(dòng)力學(xué)的理論框架里，兩個(gè)帶電粒子以光子為媒介傳遞電磁力。
強(qiáng)相互作用力
強(qiáng)相互作用力，又稱(chēng)強(qiáng)力或強(qiáng)核力。是四種基本自然力中最為強(qiáng)大的一種，通常影響范圍十分有限（大約為m）。強(qiáng)核力在自然界各個(gè)領(lǐng)域扮演著至關(guān)重要的角色。 例如，它在核子之間以核力的形式存在，克服了具有相同電荷的質(zhì)子之間的排斥力，確保了原子核的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。 同時(shí)，強(qiáng)相互作用也將夸克結(jié)合在一起成為質(zhì)子及中子等強(qiáng)子（構(gòu)成絕大多數(shù)物質(zhì)的基本成分）。
強(qiáng)核力區(qū)別于其他基本力的重要一個(gè)特點(diǎn)是：在原子尺度上，強(qiáng)核力的作用強(qiáng)度不依賴于距離的遠(yuǎn)近，但在更大尺度上會(huì)迅速衰減。 然而，由于夸克禁閉的現(xiàn)象（夸克始終被限制在一起形成強(qiáng)子），核力隨距離的增加而迅速降低。 撞擊原子核時(shí)釋放的部分能量即束縛能，部分來(lái)源于核力，該力也是核能發(fā)電和核聚變型核武器的基礎(chǔ)。
強(qiáng)核力被理解為通過(guò)膠子的交換在夸克與反夸克之間傳遞，甚至膠子本身之間發(fā)生，這些膠子攜帶色荷。 量子色動(dòng)力學(xué)（Quantum Chromodynamics，QCD）以構(gòu)成強(qiáng)子的夸克模型和規(guī)范場(chǎng)為基礎(chǔ)，描述了夸克之間通過(guò)膠子這種規(guī)范粒子傳遞強(qiáng)相互作用力的過(guò)程。 該理論揭示了在較小的距離上，強(qiáng)核力減弱的特性，形成了夸克和膠子交互作用的基本機(jī)制。
弱相互作用力
弱相互作用力，又稱(chēng)弱力或弱核力。弱核力是一種基本的自然力，能夠影響所有的費(fèi)米子。 在粒子物理學(xué)中的標(biāo)準(zhǔn)模型之下，弱力可以通過(guò)w玻色子與Z玻色子之間的交換作用來(lái)傳遞，這類(lèi)交換涉及到這些玻色子的發(fā)射或者吸收，本質(zhì)屬于非接觸力。 弱力的典型表現(xiàn)之一是β衰變（Beta-minus decay），一種放射性現(xiàn)象。 由于W玻色子與Z玻色子的質(zhì)量遠(yuǎn)超質(zhì)子或中子的質(zhì)量，弱相互作用的有效作用距離非常短。 這種作用過(guò)程之所以被稱(chēng)作“弱”，是因?yàn)槠浯诉^(guò)程發(fā)生的概率遠(yuǎn)低于強(qiáng)核力過(guò)程發(fā)生的概率，其強(qiáng)度也比電磁力和強(qiáng)力小了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 盡管如此，大多數(shù)的粒子最終都會(huì)經(jīng)歷一種弱相互作用的過(guò)程（弱衰變）從而轉(zhuǎn)變成其他形態(tài)，經(jīng)理論與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，弱衰變粒子的平均壽命大于s。
弱相互作用有幾項(xiàng)特性值得注意：
萬(wàn)有引力
引力，通常被稱(chēng)為萬(wàn)有引力或重力（Gravitation/ Gravity）是一種自然界的基本力，它導(dǎo)致所有具有質(zhì)量或能量的對(duì)象之間互相拉扯，從而造成相互吸引的現(xiàn)象，同時(shí)也是我們?cè)诘厍蛏夏軌蚋惺艿轿矬w重量的原因。 在近年來(lái)的理論研究中，隨著物理學(xué)知識(shí)的不斷精進(jìn)，為了更精確地進(jìn)行描述和分析，目前研究者們通常會(huì)用引力來(lái)指代天體間的相互拉力作用；而地球表面物體所受到的作用力則特指為重力。考慮到地球是自轉(zhuǎn)的，地球表面的參考系實(shí)際上是一個(gè)旋轉(zhuǎn)參考系，而不是一個(gè)傳統(tǒng)意義上真正的慣性系。 因此，我們所感受到的重力實(shí)際上是地球引力和由地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力的綜合作用，被稱(chēng)作為“表觀重力”。
在自然界中的四大基本作用力中，萬(wàn)有引力可以說(shuō)是最弱的一種作用力，其強(qiáng)度比電磁作用力要小約36個(gè)數(shù)量級(jí)。 盡管地球的總質(zhì)量高達(dá)60萬(wàn)億億噸，其所帶來(lái)的引力作用卻可以十分輕易地被電磁力所克服。 例如，當(dāng)一把小梳子通過(guò)摩擦引起靜電后，它可以吸起桌上的小紙片。不要小看這看似不起眼的日常現(xiàn)象，這正說(shuō)明小小的電磁作用就足以對(duì)抗并戰(zhàn)勝碩大地球?qū)τ谛〖埰恼麄€(gè)引力作用。 這說(shuō)明在日常生活中，即便是地球這樣龐大的物體所產(chǎn)生的引力也可能被看似微弱的電磁力所抵消。 根據(jù)理論定義，引力總是呈現(xiàn)出相互吸引的特性； 而與之相反，電磁作用力過(guò)程可以呈現(xiàn)出吸引或排斥的性質(zhì)，這具體取決于作用過(guò)程中涉及物體的電荷性質(zhì)。 即同性電荷相斥，異性電荷相吸。
相關(guān)理論
標(biāo)準(zhǔn)模型理論
在20世紀(jì)70年代, 科學(xué)家從斯坦福加速器中心（SLAC）收集到的粒子碰撞數(shù)據(jù)揭示了質(zhì)子深層的奧秘，物理學(xué)研究由此取得了重大進(jìn)展。 為了深入了解質(zhì)子的結(jié)構(gòu)，物理學(xué)家們使用強(qiáng)大的電子束轟擊質(zhì)子靶，從而探究其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 這些實(shí)驗(yàn)觀察到夸克之間存在一種極為緊密的相互作用力，這種作用力后來(lái)被稱(chēng)作“膠子”，理論上膠子可以實(shí)現(xiàn)夸克間的相互結(jié)合，可以充當(dāng)強(qiáng)核力的量子承載者。
隨著這一發(fā)現(xiàn)量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）的理論被進(jìn)一步確立。 這個(gè)新理論提出，膠子可以在構(gòu)成質(zhì)子的夸克之間進(jìn)行交換，從而解釋了質(zhì)子內(nèi)部存在的約束力量。 在20世紀(jì)70年代中期，科學(xué)家們逐漸發(fā)展出了一個(gè)全面的相關(guān)理論，即目前物理學(xué)中被廣泛認(rèn)定的“標(biāo)準(zhǔn)模型”理論。
標(biāo)準(zhǔn)模型描述了夸克、電子和中微子之間的相互作用，認(rèn)為這些基本粒子之間在相互作用過(guò)程中可以交換膠子、W玻色子、Z玻色子以及光子。這個(gè)理論整合了強(qiáng)相互作用、弱核力和電磁力的描述，構(gòu)成了相對(duì)統(tǒng)一的框架。 更重要的是，通過(guò)研究者們的驗(yàn)證與分析，這一理論符合了對(duì)粒子物理學(xué)數(shù)十年實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的觀察，成為了粒子物理研究的一個(gè)重要的里程碑，并且在后續(xù)的研究中繼續(xù)指導(dǎo)著當(dāng)下的物理學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)研究。
但與此同時(shí)，“標(biāo)準(zhǔn)模型理論”理論并不能被稱(chēng)為一個(gè)“完美的”大統(tǒng)一理論。許多科學(xué)家認(rèn)為自然界不太可能基于這樣一個(gè)貌似有些拼湊和補(bǔ)丁縫合的理論。尤其是，標(biāo)準(zhǔn)模型并未包含對(duì)萬(wàn)有引力的描述，這使得許多理論物理學(xué)家認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)模型可能并不是物理學(xué)的終極理論。
除此之外，標(biāo)準(zhǔn)模型也有解釋不了的現(xiàn)象。比如它沒(méi)有完全闡釋核裂變和核聚變過(guò)程中產(chǎn)生的大量中微子和光子。 對(duì)于中微子，科學(xué)家們一直面臨著一個(gè)難題：為何中微子能夠存在于物質(zhì)之中，以及是什么作用力可以在特定情況下實(shí)現(xiàn)囚禁中微子的物理現(xiàn)象。 可惜的是，標(biāo)準(zhǔn)模型中并沒(méi)有包含這樣能鉗制中微子的力，這也是科學(xué)家們認(rèn)為此標(biāo)準(zhǔn)模型理論并不是最終完美的大統(tǒng)一理論的重要原因之一。 這些問(wèn)題的待解之謎推動(dòng)了物理學(xué)家繼續(xù)在標(biāo)準(zhǔn)模型之外探索新的理論。
SU(5)模型
是最簡(jiǎn)單的大統(tǒng)一理論，將標(biāo)準(zhǔn)模型的嵌入在一個(gè)群中。是包含標(biāo)準(zhǔn)模型的最小的簡(jiǎn)單李群，由哈沃德·喬吉（Howard Georgi）和格拉肖（Sheldon Lee Glashow）于1974年提出的第一個(gè)大統(tǒng)一理論的基礎(chǔ)。
其中，和分別是群的兩個(gè)最小的不可約表示，即表示和表示，剛好能將標(biāo)準(zhǔn)模型的一整代費(fèi)米子納入其中。 具體來(lái)說(shuō)，在嘗試鏈接強(qiáng)核力、弱核力和電磁力等基本相互作用力的過(guò)程中，科學(xué)家探索了多種對(duì)稱(chēng)性的概念。 群的超荷算符能給出所有粒子正確的超荷，由此也提升了該模型的可信性。 但值得注意的是，模型反常自動(dòng)相消。且并沒(méi)有包括右手中微子，這意味著它的質(zhì)量不受任何對(duì)稱(chēng)性的限制，因此也無(wú)法解釋中微子質(zhì)量。
(參見(jiàn)蹺蹺板機(jī)制)。
超對(duì)稱(chēng)SU（5）模型
一些大統(tǒng)一理論通常要求標(biāo)準(zhǔn)模型三種耦合常數(shù)在某個(gè)能標(biāo)統(tǒng)一到同一個(gè)數(shù)值。 簡(jiǎn)單的模型無(wú)法做到這一點(diǎn)。 但如果引入“超對(duì)稱(chēng)”（Supersymmetry, 簡(jiǎn)稱(chēng)SUSY）的概念，在超對(duì)稱(chēng)模型中，三種耦合常數(shù)在能標(biāo)處比較精確地統(tǒng)一到一點(diǎn)。 理論物理學(xué)家相信，這不是巧合。這也是粒子物理學(xué)中引入超對(duì)稱(chēng)理論的重要?jiǎng)訖C(jī)之一。
大統(tǒng)一理論最直接的后果是核子衰變，尤其是質(zhì)子衰變，因?yàn)镚UT規(guī)范場(chǎng)所傳遞的過(guò)程破壞重子數(shù)守恒，此過(guò)程的低能有效算子的量綱為6，且正比于其中為GUT規(guī)范場(chǎng)的質(zhì)量。 但目前為止，尚未觀測(cè)到質(zhì)子衰變的現(xiàn)象，因此只能得到質(zhì)子壽命的下限，由此也可以得到GUT規(guī)范場(chǎng)質(zhì)量的下限，這也是非超對(duì)稱(chēng)的最小SU(5)大統(tǒng)一理論被排除的原因之一。
在超對(duì)稱(chēng)中，由于超對(duì)稱(chēng)伴子的出現(xiàn)，除了量綱為6的有效算子，還有量綱為5的有效算子可導(dǎo)致質(zhì)子衰變，且引入新的對(duì)稱(chēng)性。 然而，真空期望值（為帶色Higgs場(chǎng)賦予質(zhì)量）會(huì)破壞此類(lèi)對(duì)稱(chēng)性。 在目前的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)中，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)由量綱為5的有效算子導(dǎo)致的質(zhì)子衰變，這給帶色Higgs場(chǎng)的質(zhì)量帶來(lái)限制。 在此限制下，最小超對(duì)稱(chēng)的最簡(jiǎn)版本已被排除，但非最小的破缺模式、以及其他 GUT群模型，仍然滿足目前的觀測(cè)限制。
SO(10)模型
另一個(gè)包含標(biāo)準(zhǔn)模型的簡(jiǎn)單李群是。
在尋求物質(zhì)統(tǒng)一的過(guò)程中，物理學(xué)家擴(kuò)展了標(biāo)準(zhǔn)模型，納入了中微子的質(zhì)量。 對(duì)于模型，不可約旋量表示包含了模型的表示和表示以及一個(gè)右手中微子。該框架試圖以一個(gè)更普適、更簡(jiǎn)單的群體來(lái)刻畫(huà)所有已知的物質(zhì)粒子，除了希格斯玻色子以外。
的玻色子矩陣是通過(guò)從的表示中取矩陣，并為右手中微子添加額外的行和列。 這個(gè)集合以與群對(duì)應(yīng)的16維狄拉克矩陣結(jié)合，構(gòu)成所謂的大統(tǒng)一理論模型。模型是一個(gè)向人們展示了如何將所有基本粒子（包括中微子、夸克、電子等）統(tǒng)一在一個(gè)更大的對(duì)稱(chēng)性框架下的理論。
在超對(duì)稱(chēng)的理論中，可完全統(tǒng)一規(guī)范耦合常數(shù)，但不能完全統(tǒng)一費(fèi)米子部分，因?yàn)槊恳淮M(fèi)米子仍然需要兩組場(chǎng)與來(lái)容納。 在此意義上，完整的大統(tǒng)一可由實(shí)現(xiàn)，而可通過(guò)破缺而得，即，其中，如果電弱完全來(lái)自，即與Georgi-Glashow 相同； 如果還接受來(lái)自的混合，則得到所謂Flipped 模型。 另外，除了，還可經(jīng)破缺到標(biāo)準(zhǔn)模型規(guī)范群，其中，即大統(tǒng)一的 Pati-Salam模型。
E6模型
在數(shù)學(xué)中，是一些密切相關(guān)的李群、線性代數(shù)群或它們的李代數(shù)的名稱(chēng)，它們的維數(shù)都是78。 值得注意的是，是唯一例外的具有眾多復(fù)雜表示的簡(jiǎn)單單李群，這是一個(gè)包含手性費(fèi)米子(即所有弱相互作用費(fèi)米子)的理論的要求，因此其他4個(gè)(,,,)不能作為一個(gè)大統(tǒng)一理論的規(guī)范群。
應(yīng)用限制
在目前大統(tǒng)一理論的框架下，超對(duì)稱(chēng)模型被認(rèn)為是一種潛在的途徑來(lái)解決某些物理學(xué)中的關(guān)鍵問(wèn)題，如粒子質(zhì)量層次問(wèn)題和宇宙學(xué)中的暗物質(zhì)問(wèn)題。 然而，超對(duì)稱(chēng)模型在應(yīng)用上也存在一些限制，主要包括：
總之，超對(duì)稱(chēng)模型盡管在理論上具有吸引力，并為大統(tǒng)一理論提供了可能的解決方案，但它們?cè)趹?yīng)用上受到實(shí)驗(yàn)觀測(cè)、理論一致性和引力理論整合等方面的限制。隨著未來(lái)高能物理實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步發(fā)展，超對(duì)稱(chēng)模型的這些應(yīng)用限制可能得到緩解或進(jìn)一步壓緊。
大統(tǒng)一理論候選模型
目前，有幾個(gè)候選模型試圖實(shí)現(xiàn)物理學(xué)大統(tǒng)一目標(biāo)：
弦理論
弦理論（String Theory），又稱(chēng)弦論，是理論物理學(xué)上的一門(mén)學(xué)說(shuō)。 與傳統(tǒng)觀點(diǎn)將電子、光子、中微子和夸克等視為宇宙中的基本組成結(jié)構(gòu)不同，弦理論提出了一個(gè)新的觀念，即宇宙中最根本的元素實(shí)際上是微小的一維“能量弦線”。 根據(jù)這個(gè)理論，我們所觀察到的所有基本微觀粒子都是由這些一維能量弦所構(gòu)成的。
玻色弦理論
玻色弦理論是最簡(jiǎn)單的一個(gè)弦論的模型，它主要的創(chuàng)見(jiàn)在于不再像傳統(tǒng)理論一樣將基本粒子描述為沒(méi)有維度的點(diǎn)，而是將其視為具有長(zhǎng)度且能夠振動(dòng)的“弦”。
初期的點(diǎn)粒子理論可以在理論上闡釋許多物理現(xiàn)象，但在處理粒子相互作用過(guò)程中出現(xiàn)的“無(wú)限大”問(wèn)題時(shí)卻遇到了令人苦惱的困境。 這是因?yàn)樵邳c(diǎn)粒子理論中，粒子的相互作用過(guò)程在費(fèi)曼圖中可以表現(xiàn)為相交于一個(gè)點(diǎn)，這樣的交點(diǎn)在數(shù)學(xué)理論框架上被視為奇點(diǎn)，容易引發(fā)“無(wú)限大”的數(shù)值問(wèn)題。盡管量子場(chǎng)論采用了重整化理論來(lái)處理這些無(wú)限大的問(wèn)題， 但在極小的量子世界上，宇宙被認(rèn)為是充滿了不確定性的量子漲落，一切都充滿不確定性和變化無(wú)常，這些都對(duì)重整化過(guò)程提出了挑戰(zhàn)。
在弦理論里，我們把粒子想象成小小的彈性繩子。這些繩子以不同的方式振動(dòng)，就像吉他弦一樣，每種振動(dòng)方式都代表一種不同的粒子。 這種理論避免了傳統(tǒng)粒子理論中的一些棘手問(wèn)題，因?yàn)橄也皇且粋€(gè)點(diǎn)，它們?cè)诳臻g中有一定的大小。 當(dāng)這些弦互相碰撞時(shí)，不會(huì)像點(diǎn)粒子那樣在一個(gè)無(wú)限小的空間點(diǎn)發(fā)生問(wèn)題，而是以一種更連續(xù)、更光滑的方式進(jìn)行相互作用。 所以，弦理論有助于我們更好地理解粒子是如何運(yùn)作的。
但玻色弦理論也存在著很大的缺點(diǎn)：
所有這些問(wèn)題在推廣到超弦理論后可以得到很好的解釋。
開(kāi)弦
在1995年，物理學(xué)家約瑟夫·波欽斯基（Joseph Gerard Polchinski）發(fā)現(xiàn)了弦理論一個(gè)非常獨(dú)特的特征，即開(kāi)放弦的端點(diǎn)（開(kāi)弦）在特定時(shí)空區(qū)域被限制，無(wú)法自由移動(dòng)。 波爾欽斯基提出這樣的空間區(qū)域可以被理解為具有“粘性”的膜，也被稱(chēng)作P膜、狄利克雷-P-膜或D-P-膜。 進(jìn)一步的研究計(jì)算顯示，這些D-P-膜實(shí)際上是施加在弦端點(diǎn)上的力量的源頭，這使得開(kāi)放弦的端點(diǎn)被限制在特定維度的空間內(nèi)。
閉弦
P膜并不是能夠涵蓋所有類(lèi)型的弦，開(kāi)弦被限制在P膜之內(nèi)，而閉弦可以自由地在膜之間穿梭。 閉弦通過(guò)不同的振動(dòng)和運(yùn)動(dòng)方式可以產(chǎn)生各種不同的基本粒子，這也意味著可能存在高達(dá)11維的空間以及其他額外的粒子。 這也解釋了為什么引力和其他三種基本力不同，它可以涉及更高維度的空間。 另一方面，磁力、強(qiáng)力和弱力作為三種基本自然力，它們的傳遞粒子是被限制在P膜內(nèi)的開(kāi)弦。 這可能是為什么這些力不能像引力一樣涉及更高維度空間的原因。
超弦理論
超弦理論（Superstring Theory）也被稱(chēng)為超對(duì)稱(chēng)弦理論，是弦理論的一種變體。它引入了“超對(duì)稱(chēng)性”的概念，同時(shí)包含費(fèi)米子和玻色子。 在超對(duì)稱(chēng)物理中，每個(gè)粒子都有其對(duì)應(yīng)的超對(duì)稱(chēng)伴侶，保持相同的量子數(shù)（色、電荷、重子數(shù)、輕子數(shù)等）。 超弦理論旨在將所有粒子和自然界的基本力統(tǒng)一解釋為微小超對(duì)稱(chēng)弦的振動(dòng)，這些弦的振動(dòng)模式?jīng)Q定了粒子的性質(zhì)，例如質(zhì)量和電荷。 超弦理論最吸引人的點(diǎn)在于它不僅能夠描述已知的基本粒子，還可能預(yù)測(cè)一些尚未發(fā)現(xiàn)的粒子。
型超弦理論(TypeSuperstring Theory, SST)是一種十維理論，描述開(kāi)弦和閉弦的相互作用，只有一個(gè)超對(duì)稱(chēng)。 它要求使用或壓力表組。具有時(shí)空超對(duì)稱(chēng)的光錐規(guī)弦作用自動(dòng)地結(jié)合了超弦的限制，并導(dǎo)致了II型超弦理論（SST）的發(fā)現(xiàn)。 SST是一種只有閉弦的相互作用理論，具有兩個(gè)的超對(duì)稱(chēng)。 超弦理論能夠借助基于弦坐標(biāo)泛函場(chǎng)的光錐規(guī)范作用原理來(lái)描述，這意味著在這個(gè)框架下，所有物理量都可以被精確地計(jì)算出來(lái)。 超弦理論就像一個(gè)高級(jí)的游戲規(guī)則，其中用一種特別的數(shù)學(xué)方法來(lái)說(shuō)明弦如何運(yùn)動(dòng)和互動(dòng)。
超弦理論建立在超對(duì)稱(chēng)理論的概念之上，不過(guò)截至目前為止，實(shí)驗(yàn)尚未觀測(cè)到超對(duì)稱(chēng)粒子的存在。 在2011年的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)和2006年的Tevatron的探索中，研究者已經(jīng)排除了超對(duì)稱(chēng)粒子存在的某些可能性。 超弦理論所面臨的挑戰(zhàn)之一是，它預(yù)言了多達(dá)11個(gè)維度的存在，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們所能觀測(cè)到的四維空間。 此外，超弦理論所需的能量尺度非常高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了現(xiàn)有粒子加速器的能力范圍，因此很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接驗(yàn)證。
盡管超弦理論在實(shí)驗(yàn)中的確鑿證據(jù)尚未找到，但它在理論物理學(xué)中仍取得了一些重要成就，比如它從基本的量子力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理出發(fā)，成功推導(dǎo)出與黑洞相關(guān)的和輻射等宏觀現(xiàn)象的精確公式。 超弦理論能夠?qū)⒁@一獨(dú)特的相互作用力與其他規(guī)范場(chǎng)產(chǎn)生的力如電磁力等統(tǒng)一在同一個(gè)理論框架內(nèi)，這是該理論最具魅力且充滿潛力的屬性之一。 然而，由于缺乏從實(shí)驗(yàn)得到的支持和更深入的理論驗(yàn)證，超弦理論要實(shí)現(xiàn)將所有基本相互作用力完美統(tǒng)一的理想還有很長(zhǎng)的路要走。
卡魯查-克萊因理論
在1919年，科學(xué)家西奧多·卡魯扎（Theodor Kaluza）的科學(xué)家提出了一個(gè)大膽的想法：除了我們生活的三維空間和時(shí)間這一維度外，可能還存在著第五維度。 他認(rèn)為，在這個(gè)小得幾乎看不見(jiàn)的額外空間維度里，所有的電磁現(xiàn)象和引力現(xiàn)象都可以用相同的規(guī)則來(lái)解釋。 想象一下，如果我們的世界其實(shí)是一個(gè)五維的空間，但這第五維非常非常小，呈圓圈狀，以至于我們?nèi)粘８靖杏X(jué)不到它的存在。
卡魯查的想法得到了著名物理學(xué)家阿爾伯特·愛(ài)因斯坦的支持，并在1921年由他正式發(fā)表。這個(gè)理論被稱(chēng)為卡魯扎－克萊因理論（Kaluza–Klein theory，又稱(chēng)KK理論），因?yàn)榱硪晃豢茖W(xué)家?jiàn)W斯卡·克萊因也對(duì)該理論做出了貢獻(xiàn)。 他們的工作首次嘗試將兩種我們已知的力量——電磁力和引力——統(tǒng)一起來(lái)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，他們想象光線是在這個(gè)隱藏的第五維度里振動(dòng)的，而我們只能看到這些振動(dòng)在我們的四維世界中產(chǎn)生的影響。
卡魯查-克萊因理論雖然沒(méi)有在科學(xué)界得到廣泛接受，但它為后來(lái)的理論物理學(xué)家提供了新思路，為弦理論這樣試圖解釋宇宙所有基本力量的理論打下了基礎(chǔ)。
M理論
M理論是對(duì)超弦理論的擴(kuò)展和完善。 這個(gè)理論是由數(shù)學(xué)家愛(ài)德華·威滕在1995年提出的，他在一個(gè)關(guān)于弦理論的大會(huì)上首次介紹了這個(gè)概念。 自此以后，科學(xué)家們對(duì)弦理論的興趣大增，紛紛開(kāi)始研究和探索，這段時(shí)期甚至被稱(chēng)作是超弦理論的一場(chǎng)大革命。 M理論的其中一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)就是解釋兩個(gè)具有重要物理意義卻無(wú)法共處的兩個(gè)物理理論 ：量子力學(xué)（描述微小粒子世界的規(guī)則）和廣義相對(duì)論（描述巨大星球和宇宙的運(yùn)作）。 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，M理論就是試圖將這兩個(gè)看似不相容的理論統(tǒng)一到一個(gè)單一的框架里，讓我們對(duì)整個(gè)宇宙的理解更加完整。
M理論之中，關(guān)鍵概念之一就是超對(duì)稱(chēng)性。 想象一下，有一對(duì)性格迥異的雙胞胎，即費(fèi)米子和玻色子。盡管他們性格十分不同，但M理論認(rèn)為在更高層次上他們其實(shí)是相互連接，彼此對(duì)稱(chēng)的。 M理論涉及五種物理學(xué)普遍認(rèn)知的弦律，還包括十一維超引力的理論（10個(gè)空間維度和1個(gè)時(shí)間維度）。 超對(duì)稱(chēng)性允許M理論包含重力，因?yàn)橹亓梢栽陬~外的維度中傳播，而不是僅限于我們可觀測(cè)到的四維時(shí)空。
當(dāng)M理論最初被推出的時(shí)候，它并沒(méi)有一個(gè)完整的數(shù)學(xué)描述，就像一個(gè)新發(fā)現(xiàn)的神秘島嶼還沒(méi)有被完全地圖上繪制出來(lái)。 科學(xué)家們致力于理解M理論的核心特征，并將其建立在堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)之上。 在研究M理論過(guò)程中，科學(xué)家們開(kāi)始揭開(kāi)一些非常奇特的現(xiàn)象，比如所謂的對(duì)偶性和D-膜轉(zhuǎn)換，這些現(xiàn)象有助于我們理解宇宙中一些非常特別的變換和鏈接。
Pati-Salam模型
Pati Salam模型是阿卜杜勒·薩拉姆（Abdus Salam）和喬杰什·帕蒂（Jogesh Pati）于1974年提出的大統(tǒng)一理論。 Pati-Salam模型指出，規(guī)范群是或,費(fèi)米子形成三族，每族由表示和組成。
引力量子場(chǎng)論
引力量子場(chǎng)論（Quantum Field Theory of Gravity）是一種理論框架，旨在將量子場(chǎng)論的技術(shù)和原理用于解釋和量子化重力，但是到目前為止，還沒(méi)有找到一個(gè)令人滿意的完整理論體系。
環(huán)量子引力
環(huán)量子引力（Loop Quantum Gravity，LQG）是一種候選的萬(wàn)有理論模型，旨在將引力量子化，并在四維時(shí)空框架內(nèi)進(jìn)行操作。 這個(gè)理論是基于量子力學(xué)和廣義相對(duì)論的原則，但當(dāng)涉及到高能量時(shí)，這兩種理論之間的融合仍面臨著挑戰(zhàn)。
研究前景
研究意義
物理學(xué)一直致力于把自然界看似不相干的不同的事物解釋為一個(gè)大謎題的不同部分，納入到一個(gè)統(tǒng)一的理論框架下。而科學(xué)家們一直在嘗試找到一把“萬(wàn)能鑰匙”，那就是大統(tǒng)一理論。 這意味著，無(wú)論我們?cè)诳次⑿〉脑舆€是巨大的行星，這個(gè)理論都能解釋它們是如何工作和相互作用的。
特別是當(dāng)我們面對(duì)一些非常奇怪的現(xiàn)象，像是黑洞的內(nèi)部，或者宇宙誕生時(shí)的情景，現(xiàn)有的兩個(gè)超級(jí)理論——量子力學(xué)和廣義相對(duì)論——好像都不能給出滿意的答案。它們各自在自己的領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用，但合并起來(lái)就不知所措了。
大統(tǒng)一理論的最終目標(biāo)就是讓這兩個(gè)理論和睦共處，創(chuàng)建一個(gè)包含所有物質(zhì)的相互作用和能量交換方式的全面理論，從而幫助我們深入理解宇宙從起源到現(xiàn)在，甚至最終的歸宿，將是我們認(rèn)識(shí)和探索自然界的一個(gè)巨大飛躍。
大統(tǒng)一理論就像是科學(xué)角度的預(yù)言，得到一些目前實(shí)驗(yàn)中并未觀察到的物理現(xiàn)象。 例如質(zhì)子這種潛意識(shí)認(rèn)為十分穩(wěn)定的粒子竟然會(huì)自己逐漸衰敗。 如果真的可以在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)質(zhì)子衰變，那好比找到了一條新世界的線索，從而證明描述宇宙的標(biāo)準(zhǔn)模型并不是完整的。
在追逐這個(gè)終極理論的過(guò)程中，還可能因此開(kāi)發(fā)出一些極具有現(xiàn)實(shí)意義的新技術(shù)。例如加速器技術(shù)，可以幫助我們看到原子的內(nèi)部世界，本身就是基礎(chǔ)粒子研究深化過(guò)程中的產(chǎn)物，并且在后續(xù)的物理研究中發(fā)揮了巨大作用。
雖然大統(tǒng)一理論還未被最終證實(shí)，且面臨眾多挑戰(zhàn)，物理學(xué)家們?nèi)栽诜e極地研究探究。 任何關(guān)于這一理論的小幅進(jìn)展都可能對(duì)我們的自然世界理解產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
研究難題
1. 質(zhì)子衰變的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
在大統(tǒng)一理論中，將通常被視為獨(dú)立粒子的夸克和輕子統(tǒng)一視作同一物理對(duì)象的不同狀態(tài)。 在極高能量水平下，這三種在低能量下被認(rèn)為是分離的力——強(qiáng)相互作用、弱相互作用及電磁力——被認(rèn)為是單一力的不同表現(xiàn)形式。 而當(dāng)能量降低時(shí)，由于希格斯場(chǎng)的作用，這些統(tǒng)一的力會(huì)破裂為我們所熟知的分離的自然力。 能量進(jìn)一步降低后，黑格斯機(jī)制的二次破缺導(dǎo)致弱力和電磁力分離。
大統(tǒng)一理論想要證明，自然界中的各種力其實(shí)是同一自然界家族的不同面孔。但仍需要在實(shí)驗(yàn)層面提供可以檢驗(yàn)的預(yù)言。其中一個(gè)著名的預(yù)言就是質(zhì)子可能會(huì)自行分解，即質(zhì)子的衰變。 這是一個(gè)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)或反駁的物理現(xiàn)象，意味著構(gòu)成所有物質(zhì)的原子核實(shí)際上并非絕對(duì)穩(wěn)定。
當(dāng)宇宙的能量降到一個(gè)特定限度時(shí)（大約100個(gè)質(zhì)子靜止能量水平），就像宇宙歷史上的一個(gè)開(kāi)關(guān)被按下，希格斯場(chǎng)機(jī)制會(huì)經(jīng)歷第二次對(duì)稱(chēng)性破缺，導(dǎo)致電磁相互作用和弱相互作用這對(duì)搭檔分道揚(yáng)，導(dǎo)致它們變成了我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中觀測(cè)到的現(xiàn)象——三種不同但各自有意義的相互作用：強(qiáng)核力、電磁力和弱核力。 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這就像是理論上預(yù)測(cè)了宇宙的一個(gè)“故障模式”，它告訴我們強(qiáng)大的電磁力和溫順的弱核力其實(shí)也曾經(jīng)是同一個(gè)力的兩面。
但到目前為止，通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)科學(xué)家們已經(jīng)能夠推斷出質(zhì)子的平均壽命遠(yuǎn)超出方年，這表明這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不直接支持目前所提出的大統(tǒng)一模型所預(yù)測(cè)的質(zhì)子衰變現(xiàn)象。
2. 高能尺度
根據(jù)現(xiàn)有的理論研究，三種基本力的大統(tǒng)一只能在極高的能量水平，即所謂的大統(tǒng)一能量處實(shí)現(xiàn)。這種能量水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了目前任何實(shí)驗(yàn)設(shè)施能夠達(dá)到的能量范圍，這就使得科學(xué)家們很難直接通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)觀測(cè)和檢驗(yàn)大統(tǒng)一理論所預(yù)言的現(xiàn)象。 因此，驗(yàn)證這一理論的實(shí)驗(yàn)工作變得極其具有挑戰(zhàn)性。
3. 與量子引力的兼容性
理想中的"萬(wàn)有理論"是物理學(xué)家們夢(mèng)寐以求的目標(biāo)，它要把自然界中的四種基本力量統(tǒng)一起來(lái)，用同一套物理規(guī)則來(lái)詮釋?zhuān)脖蛔u(yù)為“理論物理學(xué)的王冠”。但是要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，最難的部分是要把引力這個(gè)特殊作用力從量子物理學(xué)角度合理量子化，并且要和其他已經(jīng)成功量子化的作用力相整合。引力之所以尤其難以量子化，是因?yàn)樗婕暗綍r(shí)空的結(jié)構(gòu)的本質(zhì)，這與其它基本作用力相比具有更加根本的復(fù)雜性。
4. 超對(duì)稱(chēng)性問(wèn)題：
大多數(shù)旨在合并四種基本自然力的理論都是基于超對(duì)稱(chēng)性的概念。超對(duì)稱(chēng)性理論認(rèn)為：對(duì)于宇宙中已知的所有粒子，例如電子和質(zhì)子等，都應(yīng)存在一個(gè)相對(duì)應(yīng)的“超粒子”（sparticle）配對(duì)伙伴。 然而，盡管科學(xué)家們進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)尋找超對(duì)稱(chēng)伴粒子，但是到目前為止，這些粒子還是沒(méi)有被成功探測(cè)到。 大統(tǒng)一理論的研究仍然是理論物理學(xué)領(lǐng)域里最新穎、最前沿和最具挑戰(zhàn)性的課題之一。
最新研究動(dòng)向
希格斯玻色子的質(zhì)量需要通過(guò)大環(huán)級(jí)的量子修正才能從理論預(yù)測(cè)值達(dá)到實(shí)驗(yàn)觀測(cè)值，這表明弱作用力的超對(duì)稱(chēng)尺度可能位于TeV能量區(qū)域。 這一預(yù)測(cè)提升了在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）上觀測(cè)到超對(duì)稱(chēng)粒子所面臨的挑戰(zhàn)。 在最新的實(shí)驗(yàn)研究中，將大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）提升至高亮度（HL-LHC）和高能（HE-LHC）后，對(duì)撞機(jī)的最佳亮度將達(dá)到，質(zhì)心能量可達(dá)27 TeV，從而增加探測(cè)到最輕超對(duì)稱(chēng)粒子的機(jī)會(huì)。 與超對(duì)稱(chēng)性檢測(cè)相關(guān)的不僅僅是直接實(shí)驗(yàn)，還包括暗物質(zhì)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)以及對(duì)基本粒子磁矩（）和電偶極矩更精確的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，這些都可能為超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理學(xué)提供進(jìn)一步證據(jù)，特別是對(duì)于超對(duì)稱(chēng)理論的驗(yàn)證。
超對(duì)稱(chēng)性理論可能包含與可觀測(cè)宇宙相分離的隱藏部分，這部分可能僅通過(guò)引力或者非常微弱的力和我們的世界相互作用。 在這種情況下，除了傳統(tǒng)的尋找缺失橫向能量信號(hào)外，尋找長(zhǎng)壽命帶電粒子的方法也展現(xiàn)出很大的希望，這些粒子可能在探測(cè)器內(nèi)部或外部衰變。 值得注意的是，超對(duì)稱(chēng)粒子的發(fā)現(xiàn)不僅將確認(rèn)超對(duì)稱(chēng)是自然界的基本對(duì)稱(chēng)性，還將為弦理論的存在提供進(jìn)一步證據(jù)。
此外，質(zhì)子衰變是考驗(yàn)大統(tǒng)一理論（GUTs）的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)之一。 觀測(cè)到的質(zhì)子衰變將直接驗(yàn)證大統(tǒng)一理論，而目前“超級(jí)神岡”探測(cè)器已經(jīng)對(duì)GUT預(yù)測(cè)的對(duì)稱(chēng)性破缺能量尺度設(shè)置了嚴(yán)格的限制。即將開(kāi)始運(yùn)行的大規(guī)模中微子實(shí)驗(yàn)設(shè)施，包括深地下中微子實(shí)驗(yàn)（DUNE）、Hyper-Kamiokande 和江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)（JUNO），將探尋質(zhì)子衰變的新證據(jù)，或是將對(duì)稱(chēng)性破缺的能量尺度推至高于GeV。
大統(tǒng)一理論還預(yù)測(cè)，隨著大統(tǒng)一群向標(biāo)準(zhǔn)模型規(guī)范群的破缺，宇宙弦網(wǎng)絡(luò)可能在宇宙早期形成。 這種弦網(wǎng)絡(luò)的演化，在不斷擴(kuò)張的宇宙中，會(huì)產(chǎn)生引力波的隨機(jī)背景。 目前眾多研究者致力于使用引力波探測(cè)器在多個(gè)頻率范圍內(nèi)測(cè)試這一預(yù)測(cè)。
質(zhì)子衰變和宇宙弦背景引力波觀測(cè)對(duì)于揭示大統(tǒng)一理論對(duì)稱(chēng)破缺方式的互補(bǔ)性也有很大的研究意義。 這些觀測(cè)可能能夠排除某些特定的破缺路徑，如翻轉(zhuǎn)的以及標(biāo)準(zhǔn)的，特別是當(dāng)質(zhì)子衰變和宇宙弦相關(guān)的能量尺度之間存在顯著差異時(shí)。 值得注意的是，納米引力波實(shí)驗(yàn)的最新結(jié)果已被解讀為宇宙弦存在于GeV能量尺度的證據(jù)。 這支持了大統(tǒng)一理論的觀點(diǎn)，而群是當(dāng)然的理論選擇。結(jié)合當(dāng)前對(duì)質(zhì)子衰變的實(shí)驗(yàn)約束，目前有望進(jìn)一步確定標(biāo)準(zhǔn)模型的首選對(duì)稱(chēng)性破缺路線。
參考資料 >