[論文レビュー] Building Supergravity Quintessence Model

Chien-I Chiang, Hitoshi Murayama|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2018

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 28被引用数 26

ひとこと要約

本稿では、宇宙定数問題を回避するため、時間に依存するダークエネルギーの状態方程式 w > -1 を実現するための2つの超対称重力フレームワークを提案する。クインテシスセクターにシフト対称性を課すか、遮蔽された超対称重力（sequestered supergravity）を用いることで、クインテシスポテンシャルが超対称性の破れ効果に対して安定化され、第五力の制約を満たす。これにより、宇宙定数とは異なる観測可能な兆候が得られる。

ABSTRACT

It was recently pointed out that the cosmological constant (even metastable one) belongs to the so-called "swampland" and hence cannot be obtained as the low-energy limit of string theory that requires $| abla V| > c V$. If true, the dark energy needs to be described by an evolving scalar field, i.e., quintessence with $w>-1$ within supergravity. However, the large hierarchy between the supersymmetry breaking scale and the energy scale of dark energy imposes a challenge on building quintessence models in supergravity as the quintessence field typically acquires a mass of order the gravitino mass. We investigate two approaches to circumvent this obstacle. One is imposing shift symmetry to the quintessence sector, and we demonstrate any quintessence potential can be embedded into supergravity and the fifth force constraint gives little limit on quintessence field displacement, leading to possible observational signature $w>-1$. The structure is stable against quantum corrections. A particular example can address the cosmic coincidence problem. The other approach is sequestered supergravity, and the stability requirement strongly constrains the form of the Kahler potential and superpotential, and the quintessence field displacement is typically much smaller than Planck mass. In addition, to satisfy the fifth force constraint, the quintessence field displacement is further restricted in the sequestered case, requiring $c \ll 1$.

研究の動機と目的

• 重力レプトン質量スケールでの超対称性の破れによって不安定化されるスカラー・ポテンシャルを持つ超対称重力における実現可能なクインテシスモデルを構築する挑戦に応えること。
• 高エネルギーのSUSY破れセクターに結合しているにもかかわらず、クインテシス場が軽量（ハッブルスケールの質量）のままであることを保証すること。
• 特に大きな場の変位を伴うモデルにおいて、物質-クインテシス結合に起因する第五力の制約を満たすこと。
• 量子補正によって宇宙定数に退化しないように、クインテシスを超対称重力に埋め込むことが可能かどうかを検討すること。
• de Sitter真空を禁止するというスワームランド予想と、超対称重力における動的ダークエネルギーを両立させることができるかを調査すること。

提案手法

• クインテシス超多重項のケーラー項にシフト対称性を課し、スカラー・ポテンシャルがクインテシス場の虚部に依存せず平坦に保たれることを保証する。
• クインテシス・ポテンシャルを超ポテンシャルの実部に比例させる形で構築し、超対称重力に任意のポテンシャル形状を埋め込むことを可能にする。
• 隠れたセクターとクインテシスセクターが別々の3-brane上に配置された遮蔽された超対称重力構造を用い、木レベルでクインテシス場への直接的なSUSY破れ効果を抑制する。
• クインテシス場に指数関数的に依存するフェルミオン質量項を通じて物質-クインテシス結合を分析し、場の変位に対する第五力の制約を導出する。
• 安定性を保つために、高次項補正をプランクスケールで抑制する。これにより、ケーラー項が近似的に不変のままであることを保証する。
• 両フレームワークにおける状態方程式パラメータ w を評価し、シフト対称性では大規模な場の変位でも w > -1 を達成可能であるのに対し、遮蔽では変位が c ≪ 1 に制限されることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重力レプトン質量がテルアスケールにあり、ハッブルスケールの質量を持つクインテシス場が、超対称重力において一貫して実現可能かどうか。
• RQ2 ケーラー項におけるシフト対称性が、超対称性の破れによってクインテシスポテンシャルが不安定化することを防ぐメカニズムは何か。
• RQ3 遮蔽された超対称重力では、重力レプトン質量がクインテシス場の質量に及ぼす寄与がどの程度抑制されるか。
• RQ4 第五力相互作用に起因する観測的制約は、クインテシスモデルにおける場の変位にどの程度制限を加えるか。
• RQ5 スワームランド予想（de Sitter真空の禁止）を満たしつつ、宇宙定数に退化しない超対称重力における w > -1 のクインテシスモデルを構築可能かどうか。

主な発見

• ケーラー項におけるシフト対称性により、任意のクインテシスポテンシャルを超対称重力に埋め込むことが可能となり、ポテンシャルは超ポテンシャルの実部に比例する。
• シフト対称モデルでは、クインテシス場がフェルミオン質量項の指数因子に現れないため、第五力の制約が場の変位を強く制限しない。
• 遮蔽された超対称重力モデルでは、木レベルでクインテシス場に重力レプトン質量が寄与しないが、高次の補正を受けるため、安定性を保つためにプランクスケールでの抑制が必要となる。
• 遮蔽モデルにおける場の変位は第五力の限界により小さく制限され、c ≪ 1 となる。ここで c は軽い粒子と重い粒子の質量比に関連する。
• シフト対称モデルでは、隠れたSQCDアキソンを通じてダークエネルギーのスケールと電弱スケールを結びつけることにより、宇宙の一致問題を自然に解決できる。
• シフト対称モデルでは、大規模な場の変位であっても状態方程式パラメータ w が -1 からずれるため、宇宙定数とは観測的に区別可能である。