[論文レビュー] Light Hidden U(1)s from String Theory

Mark D. Goodsell|ArXiv.org|Dec 21, 2009

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 3被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、LARGEボリューム・スケナリオにおけるタイプIIB超弦理論の compactification における光る隠れた U(1) ゲージボソンを調査し、その質量と hypercharge との運動項混合に注目している。ヒッグス・メカニズムを介したストゥッケルベルク機構により、大きなサイクル上に存在する超弱い U(1) ゲージボソンは meV スケールの質量を達成可能であり、運動項混合は小さくはあるが検出可能であり、実験的および天体物理学的探索の可能性を秘めている。

ABSTRACT

The possible masses and kinetic mixings of hidden U(1)s in the LARGE volume scenario are discussed, including the generalisation of the compact manifold to a K3 fibration.

研究の動機と目的

• タイプIIB超弦理論の LARGE ボリューム・スケナリオにおける光る隠れた U(1) ゲージボソンの起源と素粒子的性質を理解すること。
• 特にストゥッケルベルク機構を介して隠れた U(1)s が小さな質量を獲得する条件を特定すること。
• 隠れた U(1)s と hypercharge 間の運動項混合を分析し、実験的および宇宙論的状況での検出可能性を評価すること。
• 隠れたヒッグスおよび軸子媒介効果を含む、sub-GeV から meV スケールの隠れた光子質量を生成するメカニズムを探索すること。
• 現在および将来の実験にアクセス可能であり、かつ軽量で安定したパラメータ領域を特定すること。

提案手法

• Calabi-Yau のコンパクト化を伴う LARGE ボリューム・スケナリオを分析し、非摂動的スーパーポテンシャルとフラックスを用いた Kähler モジュライの安定化に注目する。
• 小サイクルまたは大サイクルを巻くブレイン上に存在する U(1)s のゲージ結合を導出し、大サイクル上に存在するブレインでは超弱い結合であることを示す。
• タイプIIBの超重力理論を用いて、複素構造およびブレインモジュライに依存する 1 ループおよび非摂動的寄与を含む、ホロモーフィックな運動項混合を計算する。
• カプルンスキー＝ルイス関係を適用してホロモーフィックな運動項混合を物理的運動項混合に変換し、$ g_a g_b / 16 au^2 $ のオーダーの推定値を得る。
• ストゥッケルベルク機構を用いて U(1) の質量を評価し、Hodge 数 $ h_{ ext{--}}^{2,2} $ および $ h_{+}^{1,1} $ を用いて軸子の寄与を分類する。
• 運動項混合によって生成される Fayet-Iliopoulos 項を伴う隠れたヒッグス機構を検討し、ヒッグス系の安定化と隠れた光子質量の抑制を図るための補助的 U(1)'' を導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LARGE ボリューム超弦コンパクト化スケナリオにおける隠れた U(1) ゲージボソンの可能な質量スケールは何か？
• RQ2 隠れた U(1)s と hypercharge 間の運動項混合はどのように生じるのか？その大きさはこの枠組みでどの程度か？
• RQ3 大サイクル上に存在する隠れた U(1)s は、meV スケールの質量を達成可能であり、かつ弱い結合性を保ちつつ検出可能であるか？
• RQ4 軸子とモジュライは、ストゥッケルベルク機構を通じて U(1) の質量を生成または抑制する役割を果たすか？
• RQ5 隠れたヒッグス機構により、宇宙論的制約に反しない範囲で sub-GeV または meV スケールの隠れた光子質量を生成できるか？

主な発見

• ストリングスケールが約 TeV の場合、ストゥッケルベルク機構による体積抑制により、大サイクル上に存在する超弱い U(1) ゲージボソンは ~meV の質量にまで低下しうる。
• 可視 U(1) と大サイクル上に存在する U(1) 間の運動項混合は $ \frac{g_Y g_{\text{hidden}}}{16\tau^2} $ と推定され、ストリングスケールが TeV の場合、$ 10^{-10} $ 未満の値をとる。
• 中間スケールのストリングスケール（$ M_s \times 10^{10} $ GeV）では、隠れた光子質量は ~TeV に達し、現在の実験では到達不可能である。
• hypercharge と同等のゲージ結合を持つ隠れたヒッグス機構では、隠れた光子質量は約 ~GeV のオーダーであるが、運動項混合が抑制されれば ~MeV にまで低下する可能性がある。
• 質量 $ m_{\text{U(1)''}} $ を持つ補助的 U(1)'' を導入することで、階層 $ m_{\text{photon}} \rightarrow \frac{1}{|W_0|} \times \text{MeV} $ を実現でき、微調整を伴う sub-GeV の質量を達成できる。
• 最小モデルでは質量ゼロのヒッグスが存在するが、ミニチャージ粒子に関する制約のため問題となる。この問題は、ヒッグス系の安定化を図る追加の U(1)'' 対称性を導入することで解決される。