[論文レビュー] Hidden Sectors in String Theory: Kinetic Mixings, Fifth Forces and Quintessence

B. S. Acharya, Anshuman Maharana+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2018

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 143被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、弦のコンパクト化における幾何的に分離された隠れたセクターのモジュールと標準模型の間の運動エネルギー混合を調査し、このような混合が第五力の強さに相当する結合を誘導することを示しており、実験的制約を回避するためにはコンパクト化体積が通常 10^12 よりも大きくならねばならない。その結果、追加次元の体積に対してきびしい下限が得られ、クインテッセンスモデルの微調整の難しさと量子補正に対するモジュール安定性の問題が浮き彫りになる。

ABSTRACT

Light moduli fields in string compactifications can have interesting implications for particle physics and cosmology. Fifth force bounds impose stringent constraints on the interactions of such moduli with the visible sector. To be consistent with the bounds, they need to be part of hidden sectors which interact with the Standard Model with weaker-than-Planck suppressed interactions. We consider scenarios in which the visible sector degrees of freedom are localised in the compactification and light moduli arise as closed string degrees of freedom associated with hidden sectors which are geometrically separated (in the extra-dimensions) from the Standard Model. Kinetic mixings lead to interactions between the moduli and the visible sector - we compute these using Kaehler potentials of string/M-theory compactifications. We argue that in general these interactions provide a lower bound on the strength of the interactions between the moduli and the visible sector. The interactions scale with inverse powers of the volume of the compactification, thus fifth force bounds can be translated to lower bounds on the volume of the extra-dimensions. We find that compactification volumes have to be large to evade the bounds. This imposes interesting constraints on quintessence model building in string theory. Our results for the strength of the interactions can also be used to quantify the fine-tuning necessary for the stability of the potential of a light modulus against quantum corrections involving visible sector loops.

研究の動機と目的

• 弦コンパクト化における隠れたセクターの軽いモジュールと可視セクターとの間の相互作用の強さを理解すること。
• 標準模型から幾何的に分離されたモジュールがある場合、第五力の制約からコンパクト化体積に課される制約を導出すること。
• 第五力および等価原理の制約を考慮した場合、このようなモジュールが弦理論におけるクインテッセンス場として実現可能かどうかを評価すること。
• 可視セクターのループを伴う量子補正に対して、軽いモジュールを安定化させるために必要な微調整を定量化すること。
• ゲージボソンおよびフェルミオンへの非一様な結合が、等価原理の破れを観測可能にする可能性があるかどうかを調査すること。

提案手法

• 弦/M理論のコンパクト化から得られるケーラー項を用いて、隠れたセクターのモジュールと標準模型の場との間の運動エネルギー混合を計算する。
• コンパクト化体積の関数として、モジュールと可視セクターの場との間の有効結合定数を導出し、逆べき乗則に従うスケーリングを示す。
• 第五力の制約（例えば、Eöt-Woodworth実験や月レーザーレトロ反射実験など）を適用し、追加次元の体積に対する下限を導出する。
• 有効場理論を用いて、可視セクターのループからのモジュール質量への量子補正を推定し、δm² ∼ Λ⁴/Λ² のスケーリングを示す。
• 運動エネルギー行列と質量行列の整合性が結合を抑制する役割を果たすことを検討し、弦コンパクト化においてそのような整合性が実現される可能性を評価する。
• ゲージ場および物質場への非一様な結合を分析し、等価原理の破れの可能性を示唆する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 幾何的に分離された隠れたセクターのモジュールと可視セクターとの間の結合定数の強さは、弦コンパクト化においてどの程度か？
• RQ2 第五力の制約は、このようなモデルにおけるコンパクト化体積の大きさにどのように制約を加えるか？
• RQ3 隠れたセクターの軽いモジュールが、実験的制約に違反せずに長距離力の媒介者となり得るか？
• RQ4 可視セクターのループからの量子補正に対してクインテッセンス的性質を持つモジュールを安定化させるために、どの程度の微調整が必要か？
• RQ5 モジュールと可視セクターの場との間の非一様な結合は可能であり得るか？ その物性的意味は何か？

主な発見

• 幾何的に分離されたモジュールと可視セクターとの間の運動エネルギー混合は、コンパクト化体積の逆数のべき乗に比例する結合を誘導し、体積が小さいほど結合が強くなることを示唆する。
• 第五力の制約により、実験的制約を回避するためには体積が少なくとも ∼10^12 である必要がある。これはきびしい下限を意味する。
• 結合定数がスケール Λ で抑制されるクインテッセンス場の場合、体積が ∼10^12 であれば、可視セクターのループからの量子補正によって質量が約 1 GeV ずれるが、これは物理的質量に対して40桁も大きい。
• ゲージボソンおよびフェルミオンへの非一様な結合は一般に存在するため、等価原理の観測可能な破れの可能性がある。
• 運動エネルギー行列と質量行列の間の整合性がないため、結合のキャンセルは起こらず、したがって導出された体積の下限は、そのような整合性が強制されない限り、堅牢に保たれる。
• これらの結果は、第五力および等価原理のテストに適合するためには、クインテッセンスモデルの構築において明示的なモジュール安定化が必要であることを強調している。