[論文レビュー] Is Gravity the Weakest Force?

Satoshi Shirai, Masahito Yamazaki|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2019

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、de Sitter空間におけるスカラー弱重力予想（SWGC）を調査し、質量のないスカラー場によって媒介される力よりも重力が弱いと仮定している。特定のSWGCのバージョンは、クインテシスやアクシオン様粒子のような非常に軽いスカラーを禁止するが、これはde Sitterの砂漠予想と矛盾をきたす。一方、他のバージョンは物性論的に妥当であり、低エネルギーでの観測可能な結果をもたらす可能性がある。

ABSTRACT

It has recently been suggested that "gravity is the weakest force" in any theory with a suitable UV completion within quantum gravity. One formulation of this statement is the scalar weak gravity conjecture, which states that gravity is weaker than the force originating from scalar fields. We study the scalar weak gravity conjecture in de Sitter space, and discuss its low-energy consequences in light of the experimental searches for fifth forces and violations of the equivalence principle. We point out that some versions of the scalar weak gravity conjecture forbid the existence of very light scalar particles, such as the quintessence and axion-like particles. The absence of the quintessence field means that these versions of the scalar weak gravity conjecture are in phenomenological tension with the recently-proposed de Sitter swampland conjecture and its refinements. Some other versions of the scalar weak gravity conjecture escape these constraints, and could have interesting phenomenological consequences.

研究の動機と目的

• de Sitter空間におけるスカラー弱重力予想（SWGC）の物性論的妥当性を調査すること。
• SWGCのさまざまなバージョンが、クインテシスやアクシオン様粒子のような非常に軽いスカラー粒子の存在を禁止するかどうかを評価すること。
• SWGCがde Sitterの砂漠予想およびその拡張と整合するかを検討すること。
• 第五力の実験的探索および等価原理の破れからの低エネルギー制約を用いて、SWGCのパラメータを制約すること。
• SWGCが標準模型のヒッグス系および有効ポテンシャルと整合するかを評価すること。

提案手法

• 重力波状態の2→2散乱において、スカラー場からの力が重力を上回るSWGCのバージョンを提唱する。
• 質量のないスカラーと質量のある粒子の三体結合から導かれる不等式 $ |\partial_\varphi m|^2 \geq \frac{m^2}{M_{\rm Pl}^2} $ を用いる。
• 標準模型におけるヒッグス場の有効ポテンシャルを解析し、SWGCの条件を検証する。
• 第五力の探索および等価原理の破れからの観測的制約を用いて、SWGCのパラメータを制約する。
• 11次元のスーパーグラビティを7次元多様体上でコンパクト化した場合に、モジュール $\rho$ の有効ポテンシャルを導出する。
• 特に、GonzaloとIbáñez (2019) のバージョン1とバージョン2の間で基準を区別して、SWGCの異なるバージョンを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スカラー弱重力予想の特定の定式化が、クインテシスやアクシオン様粒子のような非常に軽いスカラー粒子の存在を禁止するか？
• RQ2 第五力の実験的制約および等価原理の破れからの制約が、スカラー弱重力予想にどのように影響するか？
• RQ3 スカラー弱重力予想は、de Sitterの砂漠予想およびその拡張と整合的か？
• RQ4 標準模型のヒッグス系は、提示された基準のもとでスカラー弱重力予想を満たすか？
• RQ5 SWGCの異なるバージョン（例：GonzaloとIbáñez 2019年、バージョン1対バージョン2）は、予想の物性論的妥当性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 特定のスカラー弱重力予想のバージョンは、クインテシスやアクシオン様粒子のような非常に軽いスカラー粒子の存在を禁止する。
• これらのSWGCのバージョンは、このような軽いスカラーを必要とするde Sitterの砂漠予想およびその拡張と、物性論的矛盾を来す。
• 他のSWGCのバージョンはこの矛盾を回避でき、低エネルギーでの観測可能な結果をもたらす可能性がある。
• 標準模型のヒッグスポテンシャルは、GonzaloとIbáñez (2019) のバージョン2の基準を満たしており、$ \chi(h)/h^2 \gg O(h^2/(16\pi^2)^2) $ であるため、予想を強く支持する。
• 7次元多様体上でコンパクト化された11次元スーパーグラビティにおいて、有効ポテンシャルは曲率項の符号に関係なくSWGC条件を満たす。
• 標準模型において不等式 $ \chi(h) \simeq \frac{3h^2}{8}[144(\lambda_{\rm eff} + \beta_{\rm eff})^2 + 23\beta_{\rm eff}^2] \geq \frac{V''}{M_{\rm Pl}^2} $ が成り立ち、バージョン2の基準のもとで予想を支持する。