대통합 이론 (GUT)편집자 확인

표준 모형은 전자기력, 약한 상호작용, 강한 상호작용이라는 세 가지 기본 상호작용과 이를 매개하는 게이지 보손, 그리고 물질을 구성하는 페르미온을 기술하는 데 매우 성공적인 이론이다. 그러나 이 이론은 몇 가지 근본적인 한계를 지니고 있어, 보다 완전한 이론을 요구하는 동기가 된다.

첫 번째 한계는 중력을 포함하지 못한다는 점이다. 표준 모형은 양자역학적 틀 안에서 세 가지 힘을 기술하지만, 시공간의 곡률을 통해 나타나는 중력은 일반 상대성 이론이라는 고전적 이론으로 설명된다. 두 이론을 통합하는 양자 중력 이론은 아직 완성되지 않았다. 두 번째 한계는 설명하지 못하는 자유 매개변수가 많다는 것이다. 표준 모형은 입자의 질량, 쿼크의 섞임 각도, 세대의 수 등 약 20개의 임의의 매개변수를 포함하며, 이 값들이 왜 그런지를 설명하지 못한다[2].

또한, 표준 모형은 우주의 중입자수 비대칭이나 암흑물질, 암흑 에너지와 같은 현상을 설명할 수 없다. 특히, 표준 모형에서 모든 렙톤수와 중입자수는 각각 보존되므로, 관측된 우주의 물질-반물질 비대칭을 만들어내기 어렵다. 마지막으로, 표준 모형은 세 가지 힘과 다양한 입자들을 하나의 통일된 원리에서 도출해내지 못한다. 이는 세 상호작용의 결합 상수가 서로 다른 에너지 척도에서 다른 값을 갖는 것으로 나타나며, 하나의 근본적인 힘이 서로 다른 형태로 나타날 가능성을 시사한다. 이러한 표준 모형의 한계들은 이를 넘어서는 더 근본적이고 통합된 이론, 즉 대통합 이론을 추구하는 주요 동기가 된다.

자연의 네 가지 기본 상호작용은 강한 상호작용, 약한 상호작용, 전자기력, 중력이다. 표준 모형은 이 중 전자기력과 약한 상호작용을 전약력으로 통합하는 데 성공했다[3]. 그러나 강한 상호작용은 여전히 별도의 이론(양자 색역학)으로 기술된다.

대통합 이론의 핵심 목표는 전약력과 강한 상호작용을 하나의 이론적 틀 안에서 통합하는 것이다. 이는 더 높은 에너지 규모에서 세 가지 게이지 결합 상수가 하나의 값으로 수렴한다는 관측 가능성에 기반한다. 통합이 이루어지면, 쿼크와 렙톤이 같은 기본 입자의 다른 상태로 이해될 수 있으며, 바리온 수 보존 법칙이 더 이상 절대적이지 않게 되어 양성자 붕괴 같은 현상이 예측된다.

다음 표는 통합의 단계를 보여준다.

이러한 통합은 매우 높은 에너지(대략 10^14에서 10^16 GeV)에서만 명확하게 나타나며, 낮은 에너지에서는 자발적 대칭성 깨짐을 통해 오늘날 관측되는 별개의 상호작용으로 분리된다. 중력을 포함한 완전한 통합은 대통합 이론의 범위를 넘어서며, 양자 중력 이론이나 초끈 이론의 과제로 남아 있다.

대칭성은 물리 법칙이 특정 변환 아래서 변하지 않는 성질을 말한다. 대통합 이론에서는 게이지 대칭성이 핵심 역할을 한다. 표준 모형의 강한 상호작용, 약한 상호작용, 전자기 상호작용은 각각 SU(3), SU(2), U(1)이라는 서로 다른 게이지 군에 의해 기술된다. 대통합 이론의 목표는 이 세 가지 힘을 하나의 더 큰 게이지 군(예: SU(5), SO(10), E6) 아래 통합하는 것이다. 이는 높은 에너지에서 하나의 근본적인 힘이 존재했으며, 그 힘이 하나의 대칭성을 가졌음을 의미한다.

그러나 우리가 관측하는 저에너지 세계에서는 이 세 힘이 뚜렷이 구분된다. 이는 자발적 대칭성 깨짐 메커니즘으로 설명된다. 이 메커니즘에 따르면, 시스템의 라그랑지안(물리 법칙)은 여전히 높은 대칭성을 갖지만, 바닥 상태(진공)는 그 대칭성을 만족하지 않는다. 이는 마치 원뿔 꼭대기에 공을 올려놓은 상황과 유사하다. 원뿔 자체는 회전 대칭성을 가지지만, 공이 굴러 내려가 특정 방향으로 정착하면 그 대칭성은 깨진다.

대통합 이론에서는 이 과정이 힉스 메커니즘과 유사하게 작동한다. 통일된 게이지 대칭성은 매우 높은 에너지(약 10^15 GeV)에서 존재한다. 우주가 냉각되면서 특정 스칼라 장(힉스 장과 유사한)이 진공 기대값을 얻으면서 자발적 대칭성 깨짐이 일어난다. 이 깨짐은 통일된 게이지 군을 표준 모형의 SU(3)×SU(2)×U(1) 게이지 군으로 나누는 계단식 패턴을 따른다.

이러한 대칭성 깨짐 과정은 입자들의 유효 질량을 생성하고, 서로 다른 게이지 보손(힘을 매개하는 입자)의 질량 차이를 만들어낸다. 결과적으로, 높은 에너지에서는 통일된 하나의 힘이었던 것이, 낮은 에너지에서는 서로 다른 세력으로 관측되게 된다.

게이지 이론에서 기본 상호작용은 특정한 게이지 군에 의해 기술된다. 예를 들어, 전자기력은 U(1) 군에, 약력은 SU(2) 군에, 강력은 SU(3) 군에 각각 대응된다. 표준 모형은 이 세 가지 군의 직접곱인 SU(3) × SU(2) × U(1)을 게이지 대칭군으로 가진다.

대통합 이론의 핵심 목표는 이 세 개의 별도 군을 하나의 더 큰 단일 게이지 군 안에 포함시키는 것이다. 이 과정을 게이지 군 통합이라고 한다. 통합된 군은 표준 모형의 SU(3) × SU(2) × U(1)을 부분군으로 포함해야 하며, 이를 통해 세 가지 힘의 결합 상수가 매우 높은 에너지 척도에서 하나의 공통값으로 수렴하게 된다. 이 에너지 척도를 대통합 에너지라고 부른다.

가능한 통합 군의 예는 다음과 같다.

통합 군은 자발적 대칭성 깨짐 메커니즘을 통해 낮은 에너지에서 표준 모형의 대칭성으로 깨진다. 이 깨짐은 통일된 힘의 게이지 보손 중 일부에 매우 큰 질량을 부여하며, 이로 인해 초고에너지에서만 나타나는 새로운 현상, 예를 들어 양성자 붕괴가 예측된다. 게이지 군 통합은 또한 쿼크와 렙톤을 동등하게 취급하여, 표준 모형에서는 독립적인 것으로 보이는 전하 양자화와 같은 현상을 자연스럽게 설명한다.

SU(5) 모형은 하워드 조지와 셸던 글래쇼가 1974년 제안한 최초의 구체적인 대통합 이론이다. 이 모형은 표준 모형의 게이지 군인 SU(3)×SU(2)×U(1)을 하나의 더 큰 단순 게이지 군인 SU(5) 안에 통합한다. SU(5) 군은 24개의 게이지 보손을 가지며, 이 중 12개는 표준 모형의 광자, W 보손, Z 보손, 글루온에 해당한다. 나머지 12개의 새로운 게이지 보손은 X와 Y 보손이라고 불리며, 쿼크와 렙톤 사이를 전환시키는 상호작용을 매개한다. 이 상호작용이 양성자 붕괴를 일으키는 근본 메커니즘이다.

이 모형에서 한 세대의 페르미온(예: 전자와 위/아래 쿼크)은 SU(5) 군의 두 가지 표현으로 배치된다. 5개의 입자로 이루어진 5 표현과 10개의 입자로 이루어진 10 표현이다. 구체적으로, 5 표현에는 아래 쿼크 3색과 전자 중성미자, 전자가 포함된다. 10 표현에는 위 쿼크 3색, 아래 쿼크 3색의 반입자, 전자의 반입자, 그리고 양전자가 포함된다[4]. 이러한 배치는 표준 모형에서 서로 무관해 보였던 전하 양자화 현상(예: 양성자의 전하와 전자의 전하 크기가 정확히 같음)을 자연스럽게 설명한다.

SU(5) 모형은 몇 가지 중요한 예측을 한다. 가장 두드러진 예측은 양성자 붕괴이며, 초기 모형은 양성자 수명을 약 10^30년으로 예측했다. 또한, 와인베르크 각과 같은 결합 상수의 통일 규모(약 10^15 GeV), 그리고 중성미자에 대한 질량 예측을 제공한다. 그러나 이 모형의 가장 단순한 버전은 실험 결과와 맞지 않는 부분이 있다. 예측된 양성자 수명(주로 p → e⁺ π⁰로 붕괴)은 현재 실험적 하한치보다 짧았으며, 3세대의 페르미온 질량 관계도 정확히 맞지 않았다.

이러한 문제들로 인해 최초의 단순 SU(5) 모형은 배제되었지만, 여전히 대통합 이론의 기본적인 틀과 개념을 보여주는 중요한 교과서적 모형으로 남아 있다. 이후 등장한 초대칭을 도입한 SU(5) 모형이나 더 큰 군을 사용하는 SO(10) 모형, E6 모형은 이러한 문제점을 해결하려는 시도로 발전했다.

SO(10) 모형은 대통합 이론 중 가장 우아하고 포괄적인 모형 중 하나로 간주된다. 이 모형은 표준 모형의 페르미온 한 세대(예: 전자, 중성미자, 위 쿼크, 아래 쿼크 등)를 단 하나의 기약 표현인 16 표현에 완벽하게 담을 수 있다는 점이 가장 큰 특징이다. 이는 SU(5) 모형이 한 세대의 페르미온을 5 표현과 10 표현, 두 개로 나누어 담는 것보다 훨씬 통합적이다. SO(10) 군은 SU(5)를 부분군으로 포함하며, 따라서 SU(5) 모형의 성과를 자연스럽게 계승한다.

SO(10) 모형의 가장 주목할 만한 예측 중 하나는 우손 중성미자의 존재이다. 16 표현에는 표준 모형의 15개 페르미온(한 세대 기준) 외에 하나의 추가 입자가 더 들어갈 자리가 있는데, 이 것이 바로 우손 중성미자이다. 이 입자는 시소 메커니즘을 통해 매우 작은 질량을 가진 좌손 중성미자를 생성하는 데 핵심적인 역할을 한다[5]. 따라서 SO(10) 모형은 중성미자에 질량이 있다는 실험적 관측을 매우 자연스럽게 설명할 수 있는 틀을 제공한다.

SO(10) 대통합 군은 여러 단계의 자발적 대칭성 깨짐을 통해 표준 모형의 게이지 군인 SU(3)×SU(2)×U(1)로 붕괴되는 경로가 여러 가지 존재한다. 일반적인 붕괴 경로는 다음과 같은 패턴을 따른다.

이 다양한 붕괴 경로는 서로 다른 중간 에너지 규모와 새로운 입자(예: 추가적인 게이지 보손, 힉스 입자)를 예측하며, 이는 양성자 붕괴 속도나 암흑물질 후보 물질의 성질에 영향을 미친다. 또한, SO(10) 모형은 물질과 반물질의 비대칭, 즉 바리온 비대칭을 설명하는 데 유리한 메커니즘을 포함할 수 있다는 점에서 우주론적 중요성도 지닌다.

E6 모형은 대통합 이론의 한 종류로, 특수 유니터리 군 SU(5)나 직교군 SO(10)보다 더 큰 예외적 리 군 E6을 게이지 군으로 사용하는 모형이다. 이 모형은 SO(10) 모형을 자연스럽게 확장한 형태로, SO(10)의 단일 표현 16개를 포함하는 더 큰 표현을 제공한다.

E6 모형의 가장 큰 특징은 세대 수와 관련된 예측을 포함한다는 점이다. E6의 가장 작은 복소 표현은 27차원 표현인데, 이 안에는 한 세대의 페르미온과 추가적인 새로운 입자들이 모두 포함된다. 이 27 표현은 SO(10)의 16 표현(한 세대의 표준 모형 입자)과 10 표현, 그리고 1 표현의 합으로 분해된다. 따라서 각 세대에 대해 표준 모형에는 없는 새로운 입자들, 예를 들어 추가적인 힉스 보손이나 암흑물질 후보 입자들이 예측된다.

이 모형은 여러 가지 변형이 존재하며, E6의 대칭성이 어떻게 깨지는지에 따라 다양한 저에너지 현상론이 나온다. 주요 하위 군 분해 경로는 E6 → SO(10) × U(1) 또는 E6 → SU(3) × SU(3) × SU(3) 등을 거쳐 최종적으로 표준 모형의 게이지 군에 도달한다. 각 분해 경로는 서로 다른 입자 구성과 현상을 예측한다.

E6 모형은 다음과 같은 이론적 장점과 예측을 제공한다.

* 세대 구조 통합: 세대의 반복되는 패턴을 더 큰 대칭성 구조 안에서 설명할 가능성을 제시한다.

* 암흑물질 후보: 27 표현에 포함된 중성 입자 중 일부가 안정하여 암흑물질을 구성할 수 있다.

* 추가적인 대칭성: E6은 초대칭 이론과 결합되었을 때 특히 우아한 구조를 보이는 경우가 많다.

하지만 모형의 자유도가 크고 예측이 모호하다는 점, 그리고 검증 가능한 에너지 규모가 극도로 높다는 점은 주요한 도전 과제로 남아 있다.

대통합 이론의 가장 주목받는 실험적 예측 중 하나는 양성자이 안정하지 않을 수 있다는 점이다. 표준 모형에서는 양성자가 절대적으로 안정한 입자로 여겨지지만, 대부분의 대통합 모형에서는 쿼크와 렙톤이 동일한 게이지 보손을 통해 상호작용할 수 있게 되어 양성자의 붕괴가 가능해진다.

일반적으로 예측되는 양성자 붕괴 모드는 양성자(p)가 파이 중간자(π⁰)와 양전자(e⁺)로 붕괴되는 p → π⁰ + e⁺ 과정이다. SU(5) 모형과 같은 간단한 모형은 붕괴 수명을 약 10³⁰년 정도로 예측했으나, 이는 실험적으로 배제된 범위에 해당한다[7]. 현재 실험적 하한은 양성자 수명이 최소 10³⁴년을 넘는다는 것을 보여준다.

실험적 검증의 어려움으로 인해, 초기 SU(5) 모형과 같은 최소 모형은 사실상 배제된 상태이다. 그러나 더 복잡한 모형(예: SO(10), 초대칭을 포함한 모형)에서는 붕괴 수명을 훨씬 더 길게 조정할 수 있어, 여전히 현재 및 차세대 실험의 탐색 범위 내에 존재할 가능성이 있다. 따라서 양성자 붕괴 탐색은 대통합 에너지 규모를 간접적으로 가리키는 핵심 관측 가능 현상으로 남아 있다.

대통합 이론은 경입자의 질량 생성 메커니즘과 깊은 연관이 있으며, 특히 중성미자의 질량을 설명하는 데 중요한 역할을 한다. 표준 모형에서는 중성미자가 질량이 없는 입자로 기술되지만, 중성미자 진동 실험[8]을 비롯한 여러 관측 결과는 중성미자가 아주 작지만 0이 아닌 질량을 가져야 함을 보여준다. 대통합 이론은 이 작은 질량의 기원을 자연스럽게 제공할 수 있는 틀을 제시한다.

대부분의 대통합 모형에서는 마요라나 중성미자라는 개념을 도입한다. 이는 입자가 자신의 반입자와 동일할 수 있는 성질을 말한다. 이러한 마요라나 질량 항은 표준 모형의 힉스 메커니즘을 통한 일반적인 질량 생성과는 다른 방식으로 생성된다. 구체적으로, 매우 높은 에너지 척도에서 작용하는 새로운 상호작용이나 무거운 입자(예: 우세한 중성미자)가 존재하여, 낮은 에너지에서 효과적으로 작은 중성미자 질량을 유도하는 것이다.

이 과정은 종종 '씨-사우스 메커니즘'으로 설명된다. 이 메커니즘에서는 매우 큰 질량을 가진 마요라나 중성미자가 존재하고, 이와 표준 모형의 경량 중성미자가 혼합을 일으켜 관측되는 작은 질량이 생성된다. 생성된 질량의 크기는 대통합 에너지 척도와 관련이 있으며, 그 값은 대략 다음과 같은 관계를 가진다.

따라서 중성미자에 대한 질량 측정은 대통합 이론의 에너지 척도와 새로운 물리 현상에 대한 간접적인 정보를 제공하는 중요한 실험적 단서가 된다.

대통합 이론은 암흑물질의 가능한 후보 입자를 제시한다. 특히, 대통합 이론에서 자연스럽게 등장하는 매우 무거운 입자들이 초기 우주의 생성 과정에서 잔존하여 오늘날의 암흑물질을 구성할 수 있다는 가설이 있다. 이러한 입자들은 표준 모형에 포함되지 않으며, 약한 상호작용과 강한 상호작용을 포함하는 새로운 게이지 상호작용을 통해 생성되고 소멸한다.

가장 주목받는 후보 중 하나는 SO(10) 모형이나 E6 모형과 같은 일부 대통합 모형에서 예측하는 중성장입자이다. 이 입자는 광자처럼 전하를 띠지 않아 전자기적으로 상호작용하지 않으며, 매우 큰 질량을 가져 현재의 가속기 실험으로는 직접 관측하기 어렵다. 또한, 게이지 보손의 한 종류인 X 보손과 Y 보손의 가장 가벼운 초대칭짝인 광입자 역시 암흑물질 후보로 거론된다. 이 경우, 초대칭을 도입한 대통합 모형에서 그 존재가 예측된다.

대통합 이론에서 도출되는 암흑물질 후보는 일반적으로 WIMP의 특성을 가진다. WIMP는 약하게만 상호작용하는 무거운 입자를 의미하며, 우주 초기 열평형 상태에서 벗어나 남은 잔존량이 관측된 암흑물질 밀도와 일치할 수 있다는 점에서 이론적으로 매력적이다[9]. 그러나 이러한 입자들의 예측 질량과 상호작용 세기는 대통합 에너지 규모(~10^16 GeV)와 연관되어 있어, 지상 실험실에서의 직접적인 검증은 현재 기술로는 극히 어렵다.

따라서 대통합 이론은 암흑물질의 본질에 대한 하나의 구체적인 이론적 틀을 제공하지만, 그 예측을 검증하기 위해서는 우주선 관측, 간접 탐사 실험, 또는 미래의 초고에너지 가속기를 통한 탐구가 필요하다.

대통합 이론이 제안하는 통합 에너지 규모(약 10^16 GeV)와 약한 상호작용의 특징적 에너지 규모(약 10^2 GeV) 사이에는 약 14자릿수에 달하는 엄청난 차이가 존재한다. 이 차이를 '계층'이라고 부르며, 이렇게 큰 수가 자연스럽게 등장하는 이유를 설명하지 못하는 문제를 계층 구조 문제라고 한다.

이 문제는 표준 모형의 힉스 메커니즘과 관련된 힉스 보손의 질량에서 두드러진다. 양자 보정을 고려할 때 힉스 입자의 질량은 자연스럽게 대통합 규모나 플랑크 규모까지 불어나야 하지만, 실험적으로 관측되는 값은 그보다 훨씬 작다. 이 작은 값을 유지하려면 이론 매개변수들 사이에 미세 조정이 필요해 보인다. 이는 이론적으로 매우 부자연스러운 상황으로 여겨진다.

계층 구조 문제를 해결하기 위한 여러 접근법이 제안되었다. 가장 유력한 대안 중 하나는 초대칭 이론이다. 초대칭은 페르미온과 보존 사이의 대칭성을 도입하여, 힉스 질량에 대한 양자 보정이 서로 상쇄되도록 만들어 계층을 안정화시킨다. 다른 접근법으로는 여차원을 도입하는 접근이 있으며, 힉스 장이 추가 차원의 기하학적 구조에 의해 약한 규모에 국한된다는 아이디어를 바탕으로 한다.

대통합 이론의 가장 큰 도전은 그 예측을 실험적으로 검증하는 데 극도로 높은 에너지가 필요하다는 점이다. 대통합 규모는 일반적으로 10^14 GeV에서 10^16 GeV 사이로 추정되는데, 이는 현재 지상에서 가장 강력한 가속기인 LHC가 도달할 수 있는 에너지(약 10^4 GeV)보다 무려 10^10배에서 10^12배나 높은 수준이다. 따라서 대통합 에너지에서 직접 새로운 입자를 생성하거나 상호작용을 관측하는 것은 현재 기술로는 불가능하다.

이론가들은 간접적인 증거를 찾기 위해 저에너지에서 나타날 수 있는 현상에 주목한다. 가장 유력한 탐색 방법은 양성자 붕괴 관측이다. 많은 대통합 모형은 양성자의 수명이 약 10^31년에서 10^36년 정도로 예측하는데, 이는 거대한 물질 샘플(예: 수만 톤의 물)을 오랜 기간 관찰함으로써 극히 드문 붕괴 사건을 포착하려는 실험을 가능하게 한다. 일본의 슈퍼카미오칸데와 같은 실험은 수십 년간 양성자 붕괴를 탐색해 왔으나, 아직까지 뚜렷한 증거는 발견되지 않았다. 이는 초기 SU(5) 모형과 같은 간단한 이론들을 배제하는 결과로 이어졌다.

또 다른 간접 검증 경로는 중성미자의 질량과 진동 현상을 연구하는 것이다. 일부 대통합 모형은 매우 무거운 중성미자의 존재를 예측하며, 이는 관측된 중성미자 진동을 설명하는 데 기여할 수 있다. 그러나 이러한 현상은 중성미자 자체의 물리학으로도 설명 가능하기 때문에, 대통합 이론에 대한 명확한 증거로 단정하기는 어렵다. 마찬가지로, 대통합 이론이 제안하는 암흑물질 후보 입자(예: 경입자 중 가장 가벼운 초대칭 입자)의 존재도 직접적인 검증 없이는 결정적인 증거가 되지 못한다.

이러한 실험적 어려움은 대통합 이론이 지나치게 많은 자유 매개변수를 가지고 있고, 검증 가능한 예측을 내놓기 힘들다는 비판으로 이어진다. 이론의 핵심 에너지 규모에 직접 도달할 수 없는 상황에서, 연구자들은 우주 초기의 고에너지 상태를 반영하는 잔류 현상(예: 우주선에서의 마그네틱 단극자 탐색)이나 정밀 측정을 통한 결합상수의 수렴 패턴 분석과 같은 대안적인 방법에 의존할 수밖에 없다.

대통합 이론은 표준 모형의 세 가지 게이지 상호작용을 하나의 게이지 군으로 통합하는 것을 목표로 하지만, 중력은 포함하지 않는다. 반면 초끈 이론은 중력을 포함한 모든 기본 상호작용을 양자 이론의 틀 안에서 통일하려는 시도이다. 따라서 대통합 이론은 종종 초끈 이론과 같은 보다 포괄적인 통일 이론의 한 구성 요소로 간주된다.

초끈 이론의 낮은 에너지 한계에서 나타나는 유효 장 이론은 종종 초대칭을 포함하는 대통합 이론의 형태를 띤다. 예를 들어, 헤테로틱 끈 이론의 한 종류인 E8 × E8 모형은 4차원 시공간으로 축소화된 후에 E6이나 SO(10) 같은 대통합 게이지 군을 남길 수 있다[10]. 이는 초끈 이론이 대통합 이론을 자연스럽게 함의할 가능성을 보여준다.

두 이론은 공통된 과제를 안고 있다. 대통합 이론의 핵심 예측인 양성자 붕괴는 아직 관측되지 않았으며, 초끈 이론 역시 직접적인 실험적 증거가 부족하다. 또한, 대통합 이론이 직면한 계층 구조 문제는 초끈 이론에서 초대칭 입자를 도입함으로써 해결될 수 있을 것으로 기대되기도 한다. 결국, 대통합 이론은 초끈 이론이 우리 우주의 낮은 에너지 현상을 설명하는 데 필요한 유효 이론의 한 단계로 여겨진다.

대통합 이론은 표준 모형을 넘어서는 보다 근본적인 물리 법칙을 탐구하는 중요한 단계를 나타낸다. 이 이론은 강한 상호작용과 전자기력, 약한 상호작용을 하나의 게이지 대칭성 아래 통합하려는 시도이다. 그러나 대통합 이론 자체도 완전한 최종 이론은 아니며, 여전히 설명하지 못하는 여러 근본적인 문제를 안고 있다.

대통합 이론의 주요 한계 중 하나는 중력을 포함하지 못한다는 점이다. 대통합 이론은 여전히 양자장론의 프레임워크 안에 머물러 있으며, 일반 상대성 이론으로 기술되는 중력을 통합하는 데는 실패한다. 또한, 이론에 등장하는 많은 자유 매개변수(예: 페르미온의 질량, 혼합 각도)의 기원을 설명하지 못한다. 이러한 한계는 대통합 이론을 더 큰 틀, 즉 모든 기본 상호작용과 물질을 포괄하는 만물 이론으로 확장해야 할 필요성을 시사한다.

이러한 확장의 주요 후보로는 초끈 이론과 M-이론이 있다. 이들은 기본 입자를 점입자가 아닌 일차원적인 진동하는 끈으로 기술하며, 자연스럽게 중력을 양자화한다. 많은 초끈 이론 모형은 낮은 에너지에서 효과적인 이론으로서 특정 대통합 이론(예: SO(10) 또는 E6)을 산출한다. 따라서 대통합 이론은 표준 모형과 초끈 이론 사이의 중간 에너지 스케일에서의 가능한 효과적 이론으로 간주될 수 있다.

결국, 대통합 이론은 물리학의 통합 여정에서 하나의 중요한 이정표이다. 이는 표준 모형의 성공을 인정하면서도 그 한계를 지적하고, 더 높은 에너지와 더 근본적인 대칭성을 탐구하도록 이끈다. 실험적으로 검증되기까지 어려움이 남아 있지만, 대통합 이론이 제시하는 개념과 예측은 암흑물질, 중성미자 질량, 우주론적 문제 등 표준 모형을 넘어선 현상을 이해하는 데 유용한 틀을 제공한다.