[論文レビュー] On electric charge non-conservation in brane world

S. L. Dubovsky, V. A. Rubakov|ArXiv.org|Apr 24, 2002

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 6被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、無限大の追加次元を有するbrane worldモデルにおける電荷非保存を調査しており、電荷を帯びた粒子がバルクモードに崩壊することで、電子の消失が見かけ上起こり得る。この研究では、連続的なバルク光子モードからのスクリーニング機構によって、ループ効果と生成効果が抑制されることを示しており、軽い電荷を帯びたKaluza–Kleinモードが存在するにもかかわらず、物性論的妥当性が保たれることを示している。

ABSTRACT

In some models with infinite extra dimensions, gauge fields are localized on a brane by gravity. A generic property of these models is the existence of arbitrarily light bulk modes of charged fields. This property may lead to interesting low-energy effects such as electric charge non-conservation on the brane (decay of electron to nothing). One may worry that light charged Kaluza--Klein modes would lead to unacceptable phenomenology due to their copious production in, e.g., electron-positron annihilation and/or their contribution to QED observables like anomalous magnetic moments. We argue, however, that both loop effects and production of light charged Kaluza--Klein modes are suppressed due to screening effect of gapless spectrum of bulk photons.

研究の動機と目的

• ゲージ場および重力場がbraneに局在化する重力によって、無限大の追加次元を有するモデルの物性論的妥当性を評価すること。
• 軽い電荷を帯びたKaluza–Klein (KK) モードが、QEDの観測量に不適切な寄与をもたらすおそれや、e⁺e⁻結合において過剰に生成されるおそれがあるという懸念に対処すること。
• 連続的なバルク光子モードのスクリーニングによって、ループ効果および軽い電荷を帯びたKKモードの生成が抑制されることを示すこと。
• バルク光子スペクトルが、見かけ上電荷非保存が生じるbrane上でも、因果性および低エネルギーQEDと整合性を保つために果たす役割を明確にすること。

提案手法

• コンパクトな追加次元と、ξ=0におけるbraneを含む(4+n+1)次元時空における歪みのある計量を持つモデルを分析する。
• U(1)ゲージ場の有効作用を導出し、局在化したゼロモードと、4次元質量がゼロから始まる連続的スペクトルのバルクモードが存在することを示す。
• brane上およびバルク内に軽い電荷を帯びたフェルミオンを導入し、ゲージ場および光子ゼロモードを介した相互作用を記述する。
• バルク電荷を帯びたモードを含むループ補正およびブレムストラール過程を評価し、ユーラィディアン光子伝播関数の役割に注目する。
• スクリーニング機構を適用する：|p| ≳ μ の運動量領域では、バルクフェルミオン波動関数が顕著な領域で、ユーラィディアン光子伝播関数が指数関数的に減衰し、相互作用が抑制されることを示す。
• 4次元のミリ電荷粒子やパラフォトンを含むモデルと比較し、光子ゼロモードが実際の光子に似ており、バルクモードが弱く結合したゲージ場の役割を果たすという類似性を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子がバルクモードに崩壊することで生じる電荷非保存が、低エネルギーQEDの物性論と整合する可能性はあるか？
• RQ2 無限大の追加次元を有するbrane worldモデルにおいて、危険なループ補正および軽い電荷を帯びたKaluza–Kleinモードの過剰生成を抑制するメカニズムは何か？
• RQ3 連続的なバルク光子モードは、braneに局在化した電荷とバルク内に存在する電荷を帯びたモードとの間の相互作用をどのようにスクリーニングするか？
• RQ4 スクリーニング機構は非アーベルの場合にも有効であるか、それともゲージ自己相互作用によって抑制効果が無効化されるか？
• RQ5 このbrane worldモデルと、ミリ電荷粒子やパラフォトンを含む4次元モデルとの間のホログラフィー的または場の理論的類似性は何か？

主な発見

• 無限大の追加次元を有するモデルでは、軽い電荷を帯びたKaluza–Kleinモードが存在し、それらがbrane上での電荷非保存（例：e⁻ → 何も残らない）を引き起こす可能性がある。
• 軽い電荷を帯びたKKモードが存在するにもかかわらず、バルク光子連続スペクトルによるスクリーニング効果のおかげで、精密QED観測量へのループ寄与は抑制されている。
• e⁺e⁻結合のような過程における軽い電荷を帯びたKKモードの生成は、バルクフェルミオン波動関数が非無視可能な領域で、運動量 |p| ≳ μ の領域において、ユーラィディアン光子伝播関数が指数関数的に減衰するため、抑制されている。
• Yukawa結合定数 y が大きくても、yv/k ≫ 1 が満たされていれば、フェルミオン波動関数が大きな ξ で局在化するため、抑制機構は依然として有効である。
• ミリ電荷粒子やパラフォトンを含む4次元モデルとの類似性は妥当である：実際の光子はゼロモードとバルクモードの重ね合わせであり、バルクモードは弱く結合した「シャドウ」電荷を帯びた粒子の役割を果たす。
• 非アーベルの場合には、伝播関数が減衰するエネルギースケールと、ゲージ場の強い自己相互作用が発現するスケールが一致するため、このメカニズムは失敗する。したがって、追加の調整なしでは、非アーベルゲージ場はこの設定では局在化できない可能性がある。