[論文レビュー] TASI Lectures on M Theory Phenomenology

Michael Dine|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2000

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 44被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、M理論の素粒子物理学的応用に焦点を当て、低エネルギー超対称性、モジュライの安定化、宇宙論的問題について、堅牢で一般的な予測を探求する。真の真空状態の完全な知識が得られていない中でも、正確な真空状態が未だに得られていないものの、近似的なモジュライ空間や対称性の原理——特に弦理論における『奇跡』的特性、すなわち木レベルでの宇宙定数のキャンセル——が、低エネルギー超対称性や大次元の存在といった定性的な予測を可能にする可能性がある。

ABSTRACT

These lectures discuss some of the general issues in developing a phenomenology for Superstring Theory/M Theory. The focus is on the question: how might one obtain robust, generic predictions. For example, does the theory predict low energy supersymmetry breaking? In the course of these explorations, basics of supersymmetry and supersymmetry breaking, string moduli, cosmological issues, and other questions are addressed. The notion of approximate moduli and their possible role plays a central role in the discussion.

研究の動機と目的

• 真の真空状態の完全な知識が得られていないにもかかわらず、M理論において普遍的で定性的な予測を特定すること。
• 弦理論が低エネルギー超対称性、追加の軽い粒子、または超対称性の破れの特定のパターンを予測するかどうかを評価すること。
• 近似的なモジュライと対称性構造が、真空の安定化と物理的に妥当なモデルの実現に果たす役割を検討すること。
• 大次元、歪みのある幾何学、およびフレーバーやCP対称性の破れの問題が、弦理論の制約と整合するかどうかを評価すること。
• 宇宙定数とゲージ結合定数の小ささが、世界面の conformal 不変性といった弦理論的メカニズムによって説明可能かどうかを検討すること。

提案手法

• 特にモジュライ場とその非摂動的効果による安定化に注目した、弦理論／M理論の有効場理論の分析。
• 次元解析と't Hooftの自然性原理を用いて、宇宙定数やヒッグス質量といった小さなパラメータの妥当性を評価する。
• 非超対称および超対称な真空における宇宙定数の木レベルおよび1ループ寄与を検討し、世界面の conformal 不変性に起因する『弦理論の奇跡』、すなわち木レベルでのΛの消失を強調する。
• 離散的フレーバー対称性とブレーン配置の役割を検討し、陽子崩壊やフレーバー変換を伴う過程を抑制する。
• 大次元または歪んだ幾何学を伴うコンパクト化モデルに、場の理論的統合技法を適用し、ゲージ結合定数の統合が依然として成立するかどうかを評価する。
• 超新星1987Aや電弱精度測定データといった、天体的および加速器実験の制約を用いて、大次元のスケールMに対して境界を設定する。例えば、M > 50 TeV である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 弦／M理論は、真に普遍的に低エネルギー超対称性を予測するのか、それとも多数の真空状態の中での可能性の一つにとどまるのか？
• RQ2 宇宙定数の小ささは、世界面の conformal 不変性といった、弦理論固有の対称性やメカニズムによって説明可能か？
• RQ3 完全な真の真空状態の知識がなくても、近似的なモジュライ空間がどれほど信頼できる予測を可能にするのか？
• RQ4 大次元または歪んだ幾何学的構造は、弦理論と観測的制約（陽子崩壊、宇宙論など）と両立可能か？
• RQ5 非アーベル的離散的フレーバー対称性がブレーンワールドのシナリオにおいて、フレーバー階層とCP対称性の破れを説明可能か？

主な発見

• 弦理論では、木レベルで『奇跡』が発現する：世界面の conformal 不変性のおかげで、非超対称な真空でも宇宙定数が消失する。しかし、1ループ補正では通常、大きなΛが生成される。
• 非超対称状態における1ループ宇宙定数は、Λ ∼ m_susy^4 と推定され、これは't Hooftの自然性原理に整合するが、観測と一致させるためにはm_susyが小さくなければならない。
• 弦理論における超対称性の破れは、依然として十分に理解されていない。安定した破れたSUSY真空が信頼できる形で計算された例はなく、近似的な超対称性が非超対称状態よりも優位であるという原理的根拠もない。
• M > 50 TeV というスケールの大次元は、超新星1987Aの制約によって制限されている。ここでは、Kaluza-Klein粒子の放出がエネルギーを速やかに散逸させてしまうためである。
• 大規模な離散的フレーバー対称性（例：Q → e^{2πi/12}Q）を持つモデルでは、陽子崩壊が抑制され、次元18のオペレーターが生成され、陽子寿命は ∼ m_p^{29}/M^{29} と表される。M ∼ 数TeV であれば、これは非常に長寿命になる可能性がある。
• ゲージ結合定数の統合は、大次元や歪んだ幾何学を持つモデルでも成立可能であるが、その条件としてモデルのスペクトルがMSSMに類似している必要がある。これは、超対称性が物理的整合性を保つために依然として必要である可能性を示唆している。