[論文レビュー] String and D-brane Physics at Low Energy

Ignatios Antoniadis|ArXiv.org|Feb 28, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用数 16

ひとこと要約

この論文は、大規模な追加次元と低エネルギーのストリングスケールを有するストリング理論およびD-braneのコンパクト化から生じる低エネルギー効果的場理論を検討し、ゲージ結合定数の統一と超対称性の破れの階層問題を解消する可能性を示している。T-dualityと非摂動的メカニズムを通じて弱いストリング結合を維持しつつ、大規模なコンパクト化体積がそれらの問題を解決できることを示している。

ABSTRACT

1. Preliminaries. 2. Heterotic string and motivations for large volume compactifications; 2.1 Gauge coupling unification; 2.2 Supersymmetry breaking by compactification. 3. M-theory on S^1/Z_2 imes Calabi-Yau. 4. Type I/I' string theory and D-branes; 4.1 Low-scale strings and extra-large transverse dimensions; 4.2 Relation type I/I' -- heterotic. 5. Type II theories; 5.1 Low-scale IIA strings and tiny coupling; 5.2 Large dimensions in type IIB; 5.3 Relation type II -- heterotic. 6. Theoretical implications; 6.1 U.V./I.R. correspondence; 6.2 Unification ; 6.3 Supersymmetry breaking and scales hierarchy ; 6.4 Electroweak symmetry breaking in TeV-scale strings. 7. Scenarios for studies of experimental constraints. 8. Extra-dimensions along the world brane: KK excitations of gauge bosons; 8.1 Production at hadron colliders; 8.2 High precision data low-energy bounds; 8.3 One extra dimension for other cases; 8.4 More than one extra dimension. 9. Extra-dimensions transverse to the brane world: KK excitations of gravitons; 9.1 Signals from missing energy experiments; 9.2 Gravity modification and sub-millimeter forces. 10. Dimension-eight operators and limits on the string scale. 11. D-brane Standard Model; 11.1 Hypercharge embedding and the weak angle; 11.2 The fate of U(1)'s and proton stability. 12. Appendix: Supersymmetry breaking in type I strings; 12.1 Scherk-Schwarz deformations; 12.2 Brane supersymmetry breaking.

研究の動機と目的

• ゲージ結合定数の統一と階層問題に動機づけられた、大規模な内部体積を有する低スケールストリング理論の妥当性を調査すること。
• コンパクト化がストリング理論において観測された電弱スケールを生成し、超対称性の破れを階層的にもたらすメカニズムを分析すること。
• コライダー実験、精度測定、重力実験からの臨床的制約を用いて、追加次元の制約を探索すること。
• 現実的な粒子スペクトルを実現し、タキオンを避けることができる、特に非BPSブレーン構成を含む実現可能なD-braneモデルを構築すること。
• T-dualityと非摂動的効果がストリング結合定数とコンパクト化モジュライを安定化させる役割を検討すること。

提案手法

• 弱い結合のヘテロティックストリングと大規模なコンパクト化半径を、強い結合の小スケール半径に結びつけるT-dualityを用い、物理的観測量を保存する。
• 10次元ストリングパラメータとコンパクト化体積から4次元プランクスケールとゲージ結合定数スケールを導出し、$ M_p acksimeq M_H / g $ および $ ilde{ au} acksimeq rac{1}{g} rac{l_s^3}{\text{Vol}} $ の関係を用いる。
• MSSMにおける1ループゲージ結合定数の統一を用いてコンパクト化スケールを制約し、$ R acksimeq 100\text{--}1000\text{ }l_s $ が $ M_{\text{GUT}} acksimeq 2\times10^{16} \text{GeV} $ と $ M_H \simeq 10^{18} \text{GeV} $ を調和させられることを示す。
• ブレーンとアンチブレーン（例：D9/D5系）を用いたD-brane構成を分析し、非超対称的でタキオンのない真空を実現する。
• キャンセルされないNS-NSタドプルに起因する有効ポテンシャルを評価し、$ V_{\text{eff}} \propto e^{-\phi_{10}} = 1/g_{\text{YM}}^2 $ となることを示し、これにより系が安定化され、超対称性がグローバルに破れる。
• 異常キャンセレーションと一般化されたグリーン・シュヴァーツメカニズムを用いて、非アーベルゲージ群を有する非BPSブレーンモデルの量子的整合性を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヘテロティックストリング理論における大規模なコンパクト化体積は、GUTスケールとヘテロティックストリングスケールの不一致を解消できるか？
• RQ2 ストリングスケール未満の基本的スケールを導入することなく、ストリング理論において超対称性を階層的に破ることができるか？
• RQ3 コライダーおよび精度測定におけるゲージボソンのカルラ・キルビン励起状態としての、大規模な追加次元の臨床的シグネチャーは何か？
• RQ4 ブレーンとアンチブレーンを含む非BPS D-brane構成は、安定でタキオンのない真空と現実的な粒子内容を実現できるか？
• RQ5 ストリングスケールの重力とサブミリスケールでの修正重力は、追加次元の大きさをどのように制約するか？

主な発見

• 大規模なコンパクト化体積（$ R \sim 100\text{--}1000\text{ }l_s $）は、しきい値補正を通じて、観測されたGUTスケール（$ \sim 2\times10^{16} \text{GeV} $）とヘテロティックストリングスケール（$ \sim 10^{18} \text{GeV} $）を調和させることができる。
• 超対称性の破れは、大規模なコンパクト化半径によって動的に生成され、破れスケールは $ R^{-1} \sim \text{TeV} $ に設定され、明示的なソフト項の導入を回避できる。
• D5ブレーン上でのキャンセルされないNS-NSタドプルに起因する有効ポテンシャルは $ V_{\text{eff}} \propto e^{-\phi_{10}} = 1/g_{\text{YM}}^2 $ であり、これにより系が安定化され、超対称性がグローバルに破れる。
• D9ブレーンとD5アンチブレーンを含む非BPS D-brane構成は、$ [SO(16)\times SO(16)]_9 \times [USp(16)\times USp(16)]_5 $ ゲージ群と、カイラルな物質スペクトルを持つ一貫した、タキオンのない真空を実現する。
• 得られるモデルは、D5ブレーン上に非超対称なスペクトルを有し、ベクトル型およびカイラルフェルミオンを含む。異常キャンセレーションは一般化されたグリーン・シュヴァーツメカニズムにより実現される。
• このモデルは、ゲージボソンおよび重力子のKaluza-Klein励起状態を予測し、欠落エネルギー、精度測定、コライダー探索における信号をもたらす。これにより、ストリングスケールと追加次元の大きさが制約される。