[論文レビュー] The Swampland Conjectures: A Bridge from Quantum Gravity to Particle Physics

Mariana Graña, Álvaro Herráez|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 140被引用数 156

ひとこと要約

このレビューでは、量子重力からの制約であるスウォープランド予想が、量子重力から素粒子物理学への橋渡しを可能にし、有効場理論の妥当なパラメータ空間を制限することを提案している。特に、弱い重力予想、距離予想、Festina Lente境界が、ニュートリノ質量、ヒッグス真空期待値、宇宙定数、光子質量に関する定量的制約を導き、超対称性やゲージ群のランクについても制限を加える。

ABSTRACT

The swampland is the set of seemingly consistent low-energy effective field theories that cannot be consistently coupled to quantum gravity. In this review we cover some of the conjectural properties that effective theories should possess in order not to fall in the swampland, and we give an overview of their main applications to particle physics. The latter include predictions on neutrino masses, bounds on the cosmological constant, the electroweak and QCD scales, the photon mass, the Higgs potential and some insights about supersymmetry.

研究の動機と目的

• スウォープランド予想を用いて、量子重力と素粒子物理学の理論的橋渡しを確立すること。
• グローバル対称性の不在や弱い重力予想といった量子重力の制約が、低エネルギー素粒子物理学のパラメータに非自明な制約を課す仕組みを調査すること。
• スウォープランド予想が、電弱階層問題、ニュートリノ質量、宇宙定数といった素粒子物理学の未解決問題に与える影響を検討すること。
• スウォープランド制約が、有効場理論の単純なパラメータ空間を縮小させ、自然性と微調整の問題に対する新たな知見を提供することを示すこと。
• 宇宙論的・重力的整合性条件から導かれる、ニュートリノ質量やヒッグス真空期待値の上界といった、素粒子物理学的検証可能な予測を提示すること。

提案手法

• 4次元有効場理論に適用可能なスウォープランド制約を導出するために、弦理論のコンパクト化を分析すること。
• 弱い重力予想を用いて、U(1)ゲージ理論における光子質量と軽い状態の存在を制約すること。
• 距離予想およびその拡張（AdS距離予想、グルアイン距離予想）を用いて、大きな場の距離において無限の軽い状態のタワーが予測されることを示すこと。
• de Sitter空間におけるブラックホール崩壊から導かれるFestina Lente境界を適用し、ヒッグスポテンシャルと電弱スケールを制約すること。
• コボルディズム予想とアノマリーキャンセレーションを組み合わせることで、4次元EFTにおけるゲージ群の許容されるランクと構造を導出すること。
• 非超対称AdS予想と洗練されたde Sitter予想を用いて、真空状態の安定性を制約し、ヒッグスおよびニュートリノ質量の上限を導出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 弱い重力予想や距離予想といったスウォープランド予想が、ヒッグスボソンの質量と電弱スケールにどのように制約を加えるか？
• RQ2 非超対称AdS予想とAdS距離予想の影響は、ニュートリノ質量生成と階層問題にどのような意味を持つのか？
• RQ3 Festina Lente境界は、微調整を必要とせず、宇宙定数の小ささと電弱階層問題を説明できるか？
• RQ4 ゲージ群およびグローバル対称性に対するスウォープランド制約は、標準模型の拡張の妥当性をどのように制限するか？
• RQ5 スウォープランド予想は、ニュートリノ質量と宇宙定数といった、見かけ上関係のないスケールを、どの程度統一的に扱えるか？

主な発見

• 非超対称AdS予想は、大きなマヨラナ質量を持つ純粋なマヨラナニュートリノが量子重力と整合しないことを示唆し、(擬)ディラックニュートリノが好まれ、その質量に上界 mν ≲ Λ1/4₄ ∼ 10⁻³ eV が存在することを示す。
• SMのU(1)ゲージ群にFestina Lente境界を適用すると、プランクスケールと宇宙定数の乖離が Λ₄ ≲ 10⁻⁸⁹M⁴ₚ に縮小され、ヒッグスポテンシャルの原点に局所的最小値が存在しない限り、極端な微調整を必要としない。
• 超対称性が低次元AdS真空を安定化させる必要がある場合、ヒッグス真空期待値は下限 v ≳ ΛQCD ∼ 100 MeV を満たす。
• グルアイン距離予想は、スケール mtower ≲ 10¹³ GeV の軽い状態のタワーを予測し、ビッグデューティのシナリオにおける低エネルギー超対称性を排除する。
• 磁気的電荷を持つストリングに対する弱い重力予想は、標準模型の光子が正確に質量を持たないことを示唆する。10 MeV未満の有限なUVカットオフが予想される場合、これは成立しない。
• コボルディズム予想とアノマリーキャンセレーションを組み合わせることで、ゲージ群の許容されるランクと構造が制限され、特定の群の禁止と、ランクと時空次元数との関係が導かれる。