[論文レビュー] Snowmass White Paper: Implications of Quantum Gravity for Particle Physics

Patrick Draper, Isabel García García+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、量子重力が効果的場理論に根本的な制約を課えると主張している。特に、グローバルな対称性を禁止し、すべての近似的な対称性がプランクスケールで明示的に破れる必要がある。これらの制約は、重力による対称性の破れを通じて、強いCP問題、階層問題、およびフレーバー階層といった長年の素粒子物理学の謎を、UV物理学と結びつけることで、新たな理論的動機を与える。

ABSTRACT

Quantum gravity places important consistency conditions on low-energy effective field theory, such as the absence of global symmetries. These may have important consequences in the search for particle physics beyond the Standard Model. We review some of these conditions and their phenomenological implications for the strong CP problem, the weak scale, new gauge interactions, and cosmology. We also offer some general comments on how these ideas can guide model building.

研究の動機と目的

• 量子重力の制約、特にグローバルな対称性の不在が、低エネルギー効果的場理論の構造にどのように影響するかを調査すること。
• これらの制約が、強いCP問題、電弱階層問題、フレーバー構造といった未解決の素粒子物理学の問題に与える現象論的含意を評価すること。
• 技術的自然性の優位性を覆すために、量子重力が小さな次元なしパラメータのより深い説明を要求することを示し、モデル構築に影響を与えること。
• 近似的な対称性が低エネルギー近似として導入されるのでなく、UV物理学から生じるべきであることを強調することで、将来のモデル構築を導くこと。

提案手法

• ブラックホール情報パラドックスとエントロピー限界を主な動機として、スワンプランド・プログラムの含意、特にノーグローバルシンメトリー予想を分析すること。
• 効果的場理論技法を用いて、特にバリオン数・レプトン数を破るプランクスケールに抑制された高次元オペレーターによる対称性の破れを研究すること。
• ゲージ対称性と追加次元が、近似的なグローバル対称性を発現的低エネルギー現象として実現する役割を検討すること。
• ホログラフィー原理とブラックホールエントロピーを用いて、対称性の破れの大きさを制約し、最小の破れスケールに対して exp(−8π²M_Pl²/Λ²) のオーダーの境界を導出すること。
• 量子重力の整合性条件の観点から、宇宙定数とダークエネルギー問題を評価すること。
• 従来のモデル構築手法（例えば、フロガット＝ニールセン型、追加次元）を量子重力の制約と比較し、UVの整合性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グローバルな対称性の不在といった量子重力の制約が、近似的なグローバル対称性を持つ低エネルギー効果的場理論をどの程度排除するのか。
• RQ2 プランクスケールに抑制されたオペレーターが、強いCP問題および電弱階層問題の現象論にどのように影響するのか。
• RQ3 小刻みなヤクビ係数とフェルミオン質量階層が、偶然的な微調整ではなく、UV物理学からの発現的低エネルギー現象として説明可能かどうか。
• RQ4 スワンプランド・プログラムが、ダークエネルギーおよび宇宙定数のモデルに与える含意は何か。
• RQ5 量子重力によるUV完全性の要請が、技術的自然性に基づくモデルの妥当性にどのように影響するか。

主な発見

• グローバルな対称性は量子重力では許されない。任意の近似的なグローバル対称性は、ゲージ対称性や追加次元による局在化といったより深いUV構造から生じるべきである。
• 低エネルギーでの対称性の破れは、必ずしもプランクスケールに抑制されるわけではない。指数的に小さな破れが可能であり、最小の破れスケールには exp(−8π²M_Pl²/Λ²) のオーダーの下限が存在する。ここでΛは新しい物理学のスケールである。
• グローバルな対称性の不在は、標準模型におけるバリオン数保存のような偶然的または近似的な対称性に依存するモデルが、ゲージ対称性や追加次元といったメカニズムによってUV完備化されなければならないことを示唆する。
• 従来、階層問題ほど深刻視されていなかったフレーバー問題は、量子重力の制約下で再び理論的意義を獲得する。小刻みなヤクビ係数は、UV物理学によって説明されなければならない。
• 宇宙定数問題と強いCP問題は、単なる技術的自然性の問題ではなく、量子重力の整合性条件と深く関係しており、それらの解決には新たなUV物理学が必要である可能性を示唆する。
• 技術的自然性よりも、量子重力はより根本的で強い自然性の基準を提供する。それは、微調整されたキャンセレーションではなく、O(1)の入力から小さなパラメータを説明することを好む。