[論文レビュー] Topics on String Phenomenology

Ignatios Antoniadis|ArXiv.org|Oct 23, 2007

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 34被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、磁化されたDブレーンを用いたトーラス的コンパクト化を用いて、自己無矛盾なストリング効果論的フレームワークを提示し、モジュライの固定とD-termゲージメディエーションによる低エネルギー超対称性の破れを伴う、計算可能な素粒子物理学モデルを可能にする。このフレームワークにより、3世代を有する超対称的SU(5)統一理論が構築され、MSSMとは異なるコライダー信号を予測する。また、TeVスケールのストリング物理学と大規模な追加次元を用いることで、階層問題を解決する。

ABSTRACT

These lectures present some topics of string phenomenology and contain two parts. In the first part, I review the possibility of lowering the string scale in the TeV region, that provides a theoretical framework for solving the mass hierarchy problem and unifying all interactions. The apparent weakness of gravity can then be accounted by the existence of large internal dimensions, in the submillimeter region, and transverse to a braneworld where our universe must be confined. I review the main properties of this scenario and its implications for observations at both particle colliders, and in non-accelerator gravity experiments. In the second part, I discuss a simple framework of toroidal string models with magnetized branes, that offers an interesting self-consistent setup for string phenomenology. I will present an algorithm for fixing the geometric parameters of the compactification, build calculable particle physics models such as a supersymmetric SU(5) Grand Unified Theory with three generations of quarks and leptons, and implement low energy supersymmetry breaking with gauge mediation that can be studied directly at the string level.

研究の動機と目的

• 低エネルギー超対称性とゲージ統一を実現する、計算可能で自己無矛盾なストリング理論の効果論的フレームワークを構築すること。
• 大規模な内部次元を用いてストリングスケールをTeV領域に低下させることで、ヒッグス質量の微調整を回避し、階層問題を解決すること。
• トーラス的コンパクト化と磁化されたブレーンを用いて、3世代を有する現実的な素粒子物理学モデル（具体的には超対称的SU(5)統一理論）を構築すること。
• 有効場理論近似に依存せずに、ストリングスケールで直接D-termゲージメディエーションを用いて低エネルギー超対称性の破れを実装すること。
• 非加速器実験による重力実験とLHC探索から、ストリングスケールの物理学と観測可能な現象を結びつける、検証可能なコライダーのシグナルと制約を導出すること。

提案手法

• 標準模型の素粒子が3+1次元のブレーンに閉じ込められ、重力がボリュームで伝播するブレーンワールドのシナリオを実現するため、Dブレーンを用いたタイプIストリング理論を用いる。
• Dブレーン上の磁場フラックスを用いた6次元内部空間(T⁶)のトーラス的コンパクト化を採用し、超対称性を破り、コンパクト化の幾何学を固定する。
• 超対称性条件とタドポールキャンセレーション条件を満たすことでモジュライを安定化させるアルゴリズムを適用し、タキオンを含まない一貫した真空を保証する。
• 交差するDブレーンスタックがT⁶の固定点に位置するように配置し、開いたストリングを介して標準模型のゲージ群と物質内容を構築する。T⁴ × T²の構成でヒッグス場のハイパーマトリックスを実現する。
• D-termによる超対称性の破れを実現するための隠れたセクターとして、磁化されたU(1)ゲージ群を導入する。このD-termが、T²で分離されたブレーンスタックに存在するメッセンジャーステートを介して、可視セクターに超対称性の破れをメディエートする。
• D-termメディエーション機構を用いて1ループゲージノ質量を導出する：$ m^{D}_{1/2} \sim \frac{\alpha}{4\pi} \frac{\text{D}}{M} $、ここでDはD-term、Mはメッセンジャースケールである。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ストリング理論の直接的な枠組み内で、3世代を有する現実的で計算可能な素粒子物理学モデル（特に統一理論）を構築することは可能か？
• RQ2 磁場フラックスを伴うトーラス的コンパクト化において、一貫した真空（タキオンを含まない）を保証するために、どのようにしてモジュライを安定化させることができるか？
• RQ3 ゲージ結合定数の統一とフレーバー保護を保ちつつ、ストリング理論的枠組みで低エネルギー超対称性の破れをどのように実現できるか？
• RQ4 得られたコライダー信号は、MSSMとはどのように異なるか。特にヒッグス系とゲージノ質量スペクトルにおいて。
• RQ5 大規模な追加次元を有するTeVスケールのストリング理論の文脈で、ミリメートル未満の重力実験とLHC探索からの観測的制約は何か？

主な発見

• 3世代のクォークとレプトンを有する超対称的SU(5)統一理論が、磁化されたブレーンを用いたトーラス的コンパクト化において、タドポールキャンセレーションを含むすべての整合性条件を満たす形で成功裏に構築された。
• 超対称性条件とタドポールキャンセレーションの組み合わせにより、タキオン状態を含まない一貫した真空が得られ、モジュライが安定化した。
• D-termゲージメディエーション機構により、1ループDiracゲージノ質量 $ m^{D}_{1/2} \sim \frac{\alpha}{4\pi} \frac{\text{D}}{M} $ が生成され、スカラー質量は追加のループ因子によって抑制される。その結果、ゲージ結合定数に比例する共通の超対称性破れスケールが得られる。
• ヒッグス系はN=2構造を示し、MSSMに存在しない $ (|H_1|^2 - |H_2|^2)^2 $ 項を持つ修正されたポテンシャルを形成する。この項により微調整が抑制され、$ \tan\beta $ が大きい領域では最軽いヒッグスがSMヒッグスに似た振る舞いを示す。
• このモデルは、明確なコライダー信号を予測する：最軽いヒッグスはフェルミオンへのカップリングがSMに似ており、重いヒッグスはZボソンからデカップルする。その結果、MSSMと比較して微調整が小さくなる。
• このフレームワークは、安定化されたモジュライと低エネルギー超対称性の破れを備えた自己無矛盾で計算可能なストリングモデルを実現し、ストリングスケールで直接研究可能なフレームワークを提供する。これは、統一と現象論的検証可能性への実現可能な道筋を示している。