[논문 리뷰] Hidden Sectors in String Theory: Kinetic Mixings, Fifth Forces and Quintessence

B. S. Acharya, Anshuman Maharana외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 26.

Black Holes and Theoretical Physics참고 문헌 143인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 스트링(compactification) 이론에서 기하학적으로 분리된 은밀한 섹터의 모듈리와 표준모형 간의 운동에너지 혼합을 조사하며, 이러한 혼합이 제5력 강도의 결합을 유도함으로써 실험적 제약을 피하기 위해 콪actification 체적을 크게 유지해야 한다는 것을 보여준다—일般적으로 >10^12의 크기여야 한다. 이러한 결과는 추가 차원의 체적에 대한 엄격한 하한을 제시하며, 퀘이낸세스 모델과 양자 보정에 대한 모듈리 안정성에 있어 정밀조정 문제를 부각시킨다.

ABSTRACT

Light moduli fields in string compactifications can have interesting implications for particle physics and cosmology. Fifth force bounds impose stringent constraints on the interactions of such moduli with the visible sector. To be consistent with the bounds, they need to be part of hidden sectors which interact with the Standard Model with weaker-than-Planck suppressed interactions. We consider scenarios in which the visible sector degrees of freedom are localised in the compactification and light moduli arise as closed string degrees of freedom associated with hidden sectors which are geometrically separated (in the extra-dimensions) from the Standard Model. Kinetic mixings lead to interactions between the moduli and the visible sector - we compute these using Kaehler potentials of string/M-theory compactifications. We argue that in general these interactions provide a lower bound on the strength of the interactions between the moduli and the visible sector. The interactions scale with inverse powers of the volume of the compactification, thus fifth force bounds can be translated to lower bounds on the volume of the extra-dimensions. We find that compactification volumes have to be large to evade the bounds. This imposes interesting constraints on quintessence model building in string theory. Our results for the strength of the interactions can also be used to quantify the fine-tuning necessary for the stability of the potential of a light modulus against quantum corrections involving visible sector loops.

연구 동기 및 목표

• 스트링 콤���팩티피케이션에서 은밀한 섹터의 경량 모듈리와 가시 섹터 간의 상호작용 강도를 이해하는 것.
• 모듈리가 표준모형으로부터 기하학적으로 분리되어 있을 경우, 제5력 제약 조건을 바탕으로 콤팩티피케이션 체적에 대한 제약 조건을 유도하는 것.
• 제5력 및 등가원리 제약 조건을 고려할 때, 이러한 모듈리가 스트링 이론에서 퀘이낸세스 필드로 가능성이 있는지 평가하는 것.
• 가시 섹터 루프를 포함한 양자 보정에 의해 경량 모듈리를 안정화하기 위해 필요한 정밀조정의 정도를 정량화하는 것.
• 게이지 보손 및 페르미온에 대한 비일관된 결합이 등가원리 위반을 관측 가능하게 유도할 수 있는지 탐색하는 것.

제안 방법

• 스트링/M-이론의 콤팩티피케이션에서 유도된 켈러 포텐셜을 사용하여 은밀한 섹터 모듈리와 표준모형 필드 간의 운동에너지 혼합을 계산한다.
• 콤팩티피케이션 체적에 대한 함수로서 모듈리와 가시 섹터 필드 간의 효과적 결합 강도를 유도하며, 역거듭제곱 법칙의 스케일링을 보여준다.
• 제5력 제약 조건(예: Eöt-Woodworth 및 달 레이저 반사 실험)을 적용하여 추가 차원의 체적에 대한 하한을 유도한다.
• 효과적 필드 이론을 사용하여 가시 섹터 루프에서 기인한 모듈리 질량의 양자 보정을 추정하며, δm² ∼ Λ⁴/Λ²의 스케일링을 보인다.
• 운동에너지 행렬과 질량 행렬 간의 정렬이 결합을 억제하는 역할을 하며, 이러한 정렬이 스트링 콤팩티피케이션에서 발생할 가능성을 평가한다.
• 게이지 및 물질 필드에 대한 비일관된 결합을 분석하며, 등가원리 위반의 가능성을 제기한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기하학적으로 분리된 은밀한 섹터 모듈리와 가시 섹터 간의 상호작용 강도는 스트링 콤팩티피케이션에서 얼마인가요?
• RQ2 제5력 제약 조건은 이러한 모델에서 콤팩티피케이션 체적의 크기를 어떻게 제약합니까?
• RQ3 은밀한 섹터에서 유래한 경량 모듈리가 실험 제약을 위반하지 않고 장거리 힘을 매개할 수 있나요?
• RQ4 가시 섹터 루프의 양자 보정에 의해 안정화되어야 하는 퀘이낸세스 유사 모듈리의 경우, 필요한 정밀조정의 정도는 얼마입니까?
• RQ5 모듈리와 가시 섹터 필드 간의 비일관된 결합은 가능하며, 그 현상학적 의미는 무엇입니까?

주요 결과

• 기하학적으로 분리된 모듈리와 가시 섹터 간의 운동에너지 혼합은 콤팩티피케이션 체적의 거듭제곱에 반비례하는 상호작용 강도를 유도하며, 이는 작은 체적에서 더 강한 상호작용을 의미한다.
• 제5력 제약 조건은 실험 제약과 충돌을 피하기 위해 콤팩티피케이션 체적이 적어도 ∼10^12 이상이어야 한다는 강력한 하한을 제시한다.
• 결합이 척도 Λ로 억제되는 퀘이낸세스 필드의 경우, 체적이 ∼10^12일 때 가시 섹터 루프의 양자 보정이 질량을 ∼1 GeV 정도 이동시킬 수 있으며, 이는 물리적 질량보다 40개의 자리가 더 크다.
• 게이지 보손 및 페르미온에 대한 비일관된 결합은 일반적으로 존재하므로, 등가원리 위반의 관측 가능성을 시사한다.
• 운동에너지 행렬과 질량 행렬 간의 정렬이 없으면 상호작용의 상쇄가 불가능하므로, 유도된 체적에 대한 하한은 정렬이 강제되지 않는 한 여전히 탄탄하다.
• 결과적으로, 제5력 및 등가원리 테스트에 대한 호환성을 확보하기 위해 퀘이낸세스 모델 구축에서 명시적인 모듈리 안정화가 필요하다는 점을 강조한다.