[論文レビュー] From Axions to Other WISPs.

Andreas Ringwald|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2009

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、超弦理論の compactification から、電子ボルト未満の非常に軽量で弱く相互作用する粒子（WISPs）であるアキソンやその他の粒子の出現を調査している。具体的には、余剰次元を compactification した後の低エネルギー有効理論において、擬スカラーアキソンや隠れた U(1) ゲージボソンが質量ゼロまたは軽い状態として現れる仕組みを示している。主な貢献は、異常 U(1) 対称性と隠れたセクターのダイナミクスを介して、現実的な compactification において一般に出現する WISP の候補を、超弦理論的埋め込みからトップダウンで導出したことにある。

ABSTRACT

It is a tantalizing question whether there is new physics below the Standard Model. That is to ask, whether there are new very light particles – apart from the known ones with sub-eV mass, the photon and the neutrinos – which are very weakly coupled to the Standard Model. In fact, embeddings of the latter into more unified theories, in particular into string theory, suggest their possible existence in a so-called hidden sector of the theory. Prominent examples of inhabitants of the latter are the axion and axion-like particles, arising as pseudo NambuGoldstone bosons associated with the breakdown of global anomalous U(1) symmetries. They occur generically in realistic string compactifications, as we will review below. Extra, hidden U(1) gauge bosons are also frequently encountered in string embeddings of the Standard Model, as we will summarize below. There is no reason why some of these hidden U(1) gauge bosons can not be massless or very light, in which case they also belong to the class of very weakly interacting sub-eV particles (WISPs). Further candidates for WISPs are very light hidden sector particles which are charged under the hidden U(1)s. In this contribution, we will take a top-down point of view: we will illustrate how axions and other WISPs arise in the course of compactification of the extra dimensions of string theory. For the bottom-up point of view, i.e. for arguments and phenomenological as well as cosmological hints which point to the possible existence of WISPs, see the contributions of Joerg Jaeckel and Javier Redondo in these proceedings. Axions from string compactifications.– The low-energy effective actions describing the dynamics of the massless bosonic excitations of the heterotic and type II string theories in 9+1 dimensions are summarized in Table 1. As we will see, after compactification of six of the spatial dimensions, pseudo-scalar fields a will generically arise which have a coupling a trG∧G

研究の動機と目的

• 超弦理論の枠組み内で、アキソンやその他の非常に軽量で弱く相互作用する電子ボルト未満の粒子（WISPs）の理論的起源を理解すること。
• 超弦 compactification における、グローバルな異常 U(1) 対称性の自発的破れから生じる擬スカラーアキソンとしてのアキソンの出現を説明すること。
• 現実的な超弦 compactification において、隠れた U(1) ゲージボソンが一般に出現し、その質量が軽いかゼロである可能性を示すこと。
• 超弦理論の compactification と WISPs の出現を結びつけるトップダウンの枠組みを提供し、アキソン様粒子や隠れたセクターに荷電した粒子を含む WISPs の出現を説明すること。
• 基本的な超弦理論から低エネルギー有効結合を導出し、WISPs の物性的および宇宙論的研究の基盤を築くこと

提案手法

• 9+1次元におけるヘテロティックおよびタイプII超弦理論の低エネルギー有効作用を導出する。この際、質量ゼロのボソン励起状態に注目する。
• 6つの空間次元を compactification することで、4次元有効理論に擬スカラー場（アキソン）が出現することを示す。
• アキソンが、compactification された理論におけるグローバルな異常 U(1) 対称性の破れに関連する擬ニーマン＝ゴールドストーン粒子として特定されること。
• 有効作用に現れる項 a trG∧G を通じてアキソンのゲージ場との結合構造を分析し、その相互作用を支配すること。
• 低エネルギースクリーンに現れる隠れた U(1) ゲージボソンと、その質量が軽いかゼロの可能性を拡張して分析すること。
• 隠れた U(1) ゲージボソンと結合する荷電した隠れたセクターの粒子を含め、有効理論における WISP スペクトルを完成させること

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超弦 compactification の後に得られる低エネルギー有効理論において、アキソンがどのように擬ニーマン＝ゴールドストーン粒子として出現するのか？
• RQ2 有効作用に現れる結合項 a trG∧G の起源は何か？ また、これはアキソンとゲージ場との相互作用とどのように関係するか？
• RQ3 なぜ隠れた U(1) ゲージボソンが超弦 compactification において一般に存在するのか？ また、どのような条件下で質量が軽いかゼロのままであるのか？
• RQ4 同じ枠組みの中で、他の WISPs、例えば隠れたセクター内の荷電粒子の存在と性質は、何によって決定されるのか？
• RQ5 トップダウンの超弦理論的アプローチは、現実的な compactification においてアキソンと他の WISPs の統一的起源をどのように提供するのか？

主な発見

• アキソンは、超弦 compactification において、グローバルな異常 U(1) 対称性の自発的破れから、一般に擬ニーマン＝ゴールドストーン粒子として出現する。
• 有効作用における項 a trG∧G は、アキソンとゲージ場強度との相互作用を支配する重要な特徴である。
• 隠れた U(1) ゲージボソンは、超弦理論的埋め込みにおいて頻繁に出現し、軽量または質量ゼロのままであり得るため、WISPs に該当する。
• 6つの空間次元の compactification は、アキソンや隠れたセクター状態を含む、多様な軽量で弱く結合する粒子のスペクトルを生じる。
• 隠れたセクターに存在する、隠れた U(1) ゲージボソンと結合する荷電粒子は、この枠組みにおいて自然な WISP の候補である。
• この枠組みは、超弦理論から WISPs を一貫してトップダウンで導出し、現実的な compactification におけるそれらの理論的妥当性を確立している。