[論文レビュー] Seeking experimental probes of string unification

Claudio Corianò, Alon E. Faraggi|ArXiv.org|Jan 14, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、超弦理論が、未破れのU(1)ゲージ対称性の下で分数電荷をもつ長寿命で超重い異常粒子を予測すると提案している—これらは、超高エネルギー宇宙線(UHECR)の主要粒子およびダークマターの候補となる可能性がある。これらの状態は弦のコンパクト化におけるウィルソン線路対称性の破れから生じ、GZKカットオフを超えるUHECRイベントを説明でき、今後の宇宙線およびダークマター実験によって弦の統一理論を実験的に探る手がかりを提供する。

ABSTRACT

A general prediction of string unification is the existence of exotic states with fractional charges under the free unbroken Abelian generators of the underlying GUT symmetry. Such states may be long-lived due to the existence of weakly broken gauge, or local discrete, symmetries, and may serve as experimental probes of string theory in forthcoming cosmic ray and dark matter experiments.

研究の動機と目的

• 宇宙線およびダークマターの観測データにおける弦統一の実験的検出可能なシグナルを特定すること。
• GZKカットオフを超える観測された超高エネルギー宇宙線イベントを、弦理論的痕跡によって説明すること。
• 弦理論が予測するさまざまな種類の超重く、メタ安定な異常状態を区別するための素描的ツールを開発すること。
• フラグメンテーション関数および崩壊性質の外挿を介して、高スケールの弦物理学と低エネルギー観測量を結びつけること。
• ピエール・オーリュジおよびEUSOなどの今後の実験が、UHECRシャワー構造を通じて弦スケール物理学をどのように探査できるかを検討すること。

提案手法

• 弦モデルにおける非アーベルゲージ群のカルタン代数に属する未破れのU(1)生成子の下で分数電荷をもつ異常状態を同定する。
• 弱く破れたゲージ対称性または局所的離散対称性による安定化機構を分析し、宇宙論的スケールでメタ安定性を保証する。
• 特にSO(10)埋め込みをもつ自由フェルミオンモデルを具体的に検討し、コンパクト化およびウィルソン線路対称性の破れから自然にこのような状態が生じることを検証する。
• ゲージボソンの励起状態としてのユニトン（質量 ~10^12–10^13 GeV）の役割を評価する。ユニトンはクォークと結合し、W±の放出を経て崩壊し、ハドロンシャワーを生成する。
• 標準模型のスケールに属さないが分数電荷U(1)_{Z'}をもつ状態が、中性で安定であり、離散対称性が弱く破れていれば、理想的なダークマター候補となる可能性を検討する。
• QCDフラグメンテーション関数を低エネルギー実験データから高エネルギー物理学へ外挿し、弱い相互作用スケールとGUT/弦スケールの間の仮定された粒子内容を組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 弦理論は、GZKカットオフを超えるUHECRイベントを説明できる、分数電荷をもつ長寿命で超重い異常状態を自然に生成できるか？
• RQ2 弦理論におけるどのような安定化機構が、このような異常状態の急速な崩壊を防ぎつつ、観測可能な宇宙線シャワーを生成できるようにするか？
• RQ3 異常状態の分数電荷U(1)_{Z'}が、弱く破れた離散対称性によってどのようにメタ安定性を生じさせるか？
• RQ4 これらの状態の観測可能なシグナルは、空気シャワー配列でどのように現れ、標準模型粒子のシャワーとどのように異なるか？
• RQ5 ピエール・オーリュジおよびEUSOなどの今後の実験は、シャワー発展およびミュオン含有率に基づいて、さまざまな弦理論的インスピレーションを受けるUHECR候補を区別できるか？

主な発見

• コンパクト化された次元におけるウィルソン線路対称性の破れにより、未破れのU(1)生成子の下で分数電荷をもつ異常状態が、弦理論によって自然に生成される。
• 弱く破れたゲージ対称性または離散対称性のおかげで、これらの状態はメタ安定であり、寿命が 10^17 s ≤ τ_X ≤ 10^28 s の範囲にあり、UHECR観測と整合的である。
• メタ安定状態の必要とされる質量スケールは約 10^12–10^13 GeV であり、ヘテロティック弦モデルにおけるユニトンのエネルギースケールと一致する。
• 残存密度と寿命の条件 (Ω_X/Ω_0)(t_0/τ_X) ≈ 5×10^{-11} が満たされ、観測されたUHECRフラックスと整合的である。
• ユニトンと結合した状態（例：色三重項）は、W±の放射を経て崩壊し、観測されたミュオン含有率と整合的なハドロンシャワーを生成する。
• 中性で分数電荷をもつ標準模型スケールのスингレットは、離散対称性が弱く破れ、かつその質量が閉じた隠れたセクターのスケールによって固定される場合、理想的なダークマターおよびUHECR候補となる。