[論文レビュー] Comments On String Theory

Edward Witten|ArXiv.org|Dec 19, 2002

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 5被引用数 71

ひとこと要約

この論文は、弦理論が重力、ゲージ理論、および超対称性を自然に統一すると主張しており、後者は弦の量子化の結果として生じる。弦理論が正しければ、低エネルギーでの量子重力の統一がある場合、TeVスケールの超対称性と磁気モノポールは避けがたいものであり、実験的発見がTeVスケールでの統一を同時に超対称性を明らかにし、弦理論を強く支持するものとなる。

ABSTRACT

String theory avoids the ultraviolet infinities that arise in trying to quantize gravity. It is also more predictive than conventional quantum field theory, one aspect of this being the way that it contributed to the emergence of the concept of ``supersymmetry'' of particle interactions. There are hints from the successes of supersymmetric unified theories of particle interactions that supersymmetry is relevant to elementary particles at energies close to current accelerator energies; if this is so, it will be confirmed experimentally and supersymmetry is then also likely to be important in cosmology, in connection with dark matter, baryogenesis, and/or inflation. Magnetic monopoles play an important role in the structure of string theory, and thus should certainly exist, if string theory is correct, though they may have been diluted by inflation to an unobservable level. The monopole mass in many attractive models is near the Planck mass, but, if unification of elementary particle forces with gravity occurs near TeV energies through large or warped extra dimensions, as in some recent models, then monopoles should be below 100 TeV and in an astrophysical context would be ultrarelativistic. In such models, supersymmetry would definitely be expected at TeV energies.

研究の動機と目的

• 点粒子を振動する弦に置き換えることで、弦理論が量子重力における紫外発散をどのように解決するかを説明すること。
• 超対称性、ゲージ対称性、重力がすべて、独立に仮定されるのではなく、弦の基本的構造から導かれるものであると主張すること。
• 標準模型と重力の低エネルギー統一が、超対称性および磁気モノポールの存在に与える影響を検討すること。
• スカラー場、ニュートンの法則からのずれ、および宇宙弦などの弦理論的現象の検出可能性を評価すること。
• 大規模または歪んだ追加次元を持つモデルにおける、超対称性、宇宙論、および実験的シグネチャの相互作用を検討すること。

提案手法

• 弦の世界面ダイナミクスを分析し、重力、ゲージ場、超対称性が弦の振動モードからどのように生じるかを導出すること。
• 弦図において明確な相互作用頂点が存在しないことを利用して、相互作用が弦の世界面幾何学によって動的に決定されることを示すこと。
• 相対論的弦の量子化を適用し、閉じた弦の基底状態が質量ゼロのスピン2粒子（重ヒッグス粒子）であることを示し、量子重力が正当化されることを確認すること。
• 超対称性がヒッグス質量における二次発散をキャンセルすることで、階層問題を解決する役割を果たすことを検討すること。
• 超対称性と大統一理論における結合定数の統一を評価し、観測値が1%の精度で一致することを示すこと。
• 思考実験と歪んだ幾何学モデル（例：ギディングスとデュ・オルフ）を用い、弦理論が正しければTeVスケールでの統一はTeVスケールでの超対称性を示唆することを示すこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 弦理論は、従来のアプローチで深刻な紫外発散を引き起こす量子重力において、どのように紫外発散を解決するのか？
• RQ2 なぜ閉じた弦の基底状態が重ヒッグス粒子に対応するのか、そしてそれが一貫した量子重力理論にどのようにつながるのか？
• RQ3 弦理論はどのようにしてゲージ対称性と超対称性を自然に生成するのか、そしてこれらが弦の振動スペクトルからどのように生じるのか？
• RQ4 低エネルギーでの量子重力の統一を持つモデルにおいて、超対称性および磁気モノポールの宇宙論的・天体物理学的シグネチャは何か？
• RQ5 TeVスケールでの統一の発見が同時に超対称性を確認できるのか、そしてこれは弦理論の妥当性に何を示唆するのか？

主な発見

• 閉じた弦の基底状態は質量ゼロのスピン2粒子であり、重ヒッグス粒子と特定され、弦理論が量子重力理論を提供することを確認する。
• 弦理論は、点粒子の量子場理論とは異なり、弦の拡張性によって相互作用頂点をなめらかにすることで紫外発散を排除する。
• 開放弦の基底状態はゲージ場であるため、ゲージ対称性が弦のダイナミクスから自然に生じることを示している。
• 超対称性はラムドモデルにおける世界面超対称性の結果として生じるが、その自発的破れは階層問題の解決に寄与する可能性がある。
• 強い力、弱い力、電磁力の結合定数の測定値は、超対称的大統一理論の予測と1%の精度で一致する。
• TeVスケールでの量子重力を持つモデル、例えば歪んだ追加次元を持つモデルでは、統一自体が超対称性を要請しなくても、TeVスケールでの超対称性が予測される。