[論文レビュー] Swamplandish Unification of the Dark Sector

Cumrun Vafa|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2024

Space Science and Extraterrestrial Life被引用数 6

ひとこと要約

論文は Swampland 原理から、単一の追加の中間スケール次元（ダーク次元）が小さなダークエネルギーを説明し、ダークエネルギーとダークマターをダーク次元の重力子として統合し、ミクロンスケールの追加次元と、ΛCDMとは異なる減衰する KK 重力子ダークマターツリーを予測する。

ABSTRACT

We provide a short overview of recent progress made in our understanding of the dark sector based on the Swampland program which in turn is rooted in lessons from string theory. We explain how the existence of one extra mesoscopic dimension (the ``dark dimension") in the micron range emerges and how this can lead to a unification of the dark energy and dark matter. In particular the smallness of the dark energy leads to the prediction of the existence of a tower of weakly interacting light particles which can naturally play the role of dark matter. Moreover this unifies dark matter with gravity as dark matter ends up being excitations of graviton in the dark dimension. We also explain how in combination with other Swampland principles one finds an explanation of the ``why now" and the ``cosmological coincidence" problems. This model is consistent with the cosmological bounds as well as the Newton's inverse square law, but makes predictions which differ from $Λ$CDM. It also gives rise to an appealing picture of hierarchy of scales in particle physics pegged to the dark energy, including a possible origin of the electroweak hierarchy and the prediction of masses of QCD axion and sterile neutrinos both in the 1-10 meV range. This review is intended for a broad audience of high energy theorists and cosmologists without prior knowledge of string theory and it explains the motivations and predictions of this program in a non-technical form.

研究の動機と目的

• 文字列理論プローブを用いて Swampland 計画から自然性と UV/IR ミキシングを動機づける。
• 小さなダークエネルギー尺度から単一のミクロン規模の追加次元（ダーク次元）を予測する。
• 軽い KK/重力子状態の塔を介してダークエネルギーとダークマターの統一を提案する。
• バルク-ブレーン結合から生じる宇宙論的影響と動的ダークマター機構を説明する。
• 実験の見通しを概説し、特にミクロンスケールでのニュートンの平方逆法則の検証を取り上げる。

提案手法

• 距離予想・ディスティンス予想およびデ-Sitter/バルク・スワンプランド予想を我々の宇宙に適用して、質量 m ~ Λ^a の軽い状態の塔と R ∼ Λ^(-1/4) の軽い追加次元を推定する。
• SM場は (3+n)+1 次元空間の 3+1D ブレーンに閉じ込められ、ISL 試験および衝突実験境界と整合する形で n ミクロン規模の次元が生じると主張する。
• 重力強度の結合を用いてバルク KK 重力子へのエネルギー漏洩を推定し、放射支配期におけるダークマター生成を導く。
• KK ダーク重力子の宇宙論的進化を導出し、崩壊率 Γ ~ m^3/M_p^2 と時間依存質量 m(t) ~ t^(-7/2) を含む。
• 初期温度 Teff を観測されたダークマター量と宇宙論的偶然性と結びつけ、y_DM ~ T_i^3 Λ^(-1/4) のようなスケーリング関係を介して説明する。
• ISL 試験、中性子星境界、CMB/BBN の考慮からの実験的制約を検討する。

Figure -1079 : As we go to extreme values of field space, a tower of light particles emerge whose mass scales exponentially with field space distance.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Swampland 制約は自然にミクロンスケールのダーク次元を予測できるか？
• RQ2 KK 重力子の塔はダークエネルギーと統一された、実行可能で弱く相互作用するダークマター候補を提供するか？
• RQ3 そのような KK 重力子ダークセクターの宇宙論的含意と崩壊痕跡は何か？
• RQ4 どのような実験的検査（特に ISL の逸脱）がダーク次元シナリオを確認・否定できるか？
• RQ5 この枠組みで Swampland の予言は“なぜ今か”と宇宙論的偶然性の問題にどう対処するか？

主な発見

• ISL 試験および現象論と整合するミクロン範囲の追加の中間次元を予測（R ≳ 88 μm）。
• 軽い KK/重力子状態の塔はダークエネルギーと統一された自然なダークマター候補を提供する。
• ダークマターは SM-ブレーンとバルク重力子の結合から生成され、Γ ~ m^3/M_p^2 の崩壊する動的ダークマター塔として進化する。
• 現在のダークマターは初期 GeV スケールからの進化後、50–100 keV の質量範囲が予想される。
• 予測には 1–10 μm スケールでの ISL 偏差と崩壊生成物の小さなキック速度が含まれ、構造形成に影響を与える可能性がある。
• モデルは T_i、Λ、および T_DE を結ぶスケーリング関係を介して宇宙論的偶然性の説明を提供する。

Figure -1078 : The standard model brane, which is localized in the micron scale 5-th dimension, radiates gravitons into bulk, which serve as KK dark matter. Most of the initial dark matter distribution is at a mass close to the initial temperature.