[논문 리뷰] PQ Axiverse

Mehmet Demirtaş, Naomi Gendler외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 08.

Black Holes and Theoretical Physics인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 유형 IIB 끈 이론의 압축에서 강한 CP 문제는 Peccei-Quinn 메커니즘을 통해 자연스럽게 해결됨을 보여주며, 17개 이상의 액시온을 가진 모델에서 양자 중력 및 고에너지 QCD 인스턴턴트 효과가 억제됨을 보여준다. 핵심 결과는 D-브레인 인스턴턴트에 의한 액시온 매개 CP 위반은 N에 따라 지수적으로 감소하여 N > 17일 경우 무시 가능해지며, 이는 끈 진공 실현의 괴로운 비율에서 액시온 해가 안정화됨을 의미한다.

ABSTRACT

We show that the strong CP problem is solved in a large class of compactifications of string theory. The Peccei-Quinn mechanism solves the strong CP problem if the CP-breaking effects of the ultraviolet completion of gravity and of QCD are small compared to the CP-preserving axion potential generated by low-energy QCD instantons. We characterize both classes of effects. To understand quantum gravitational effects, we consider an ensemble of flux compactifications of type IIB string theory on orientifolds of Calabi-Yau hypersurfaces in the geometric regime, taking a simple model of QCD on D7-branes. We show that the D-brane instanton contribution to the neutron electric dipole moment falls exponentially in $N^4$, with $N$ the number of axions. In particular, this contribution is negligible in all models in our ensemble with $N>17$. We interpret this result as a consequence of large $N$ effects in the geometry that create hierarchies in instanton actions and also suppress the ultraviolet cutoff. We also compute the CP breaking due to high-energy instantons in QCD. In the absence of vectorlike pairs, we find contributions to the neutron electric dipole moment that are not excluded, but that could be accessible to future experiments if the scale of supersymmetry breaking is sufficiently low. The existence of vectorlike pairs can lead to a larger dipole moment. Finally, we show that a significant fraction of models are allowed by standard cosmological and astrophysical constraints.

연구 동기 및 목표

• 끈 이론 압축에서 Peccei-Quinn 메커니즘이 유요한지 평가하기, 특히 고에너지 물리학이 강한 CP 문제의 액시온 해법을 파괴하는지 여부를 확인하기.
• 특히 D-브레인 인스턴턴트에 의한 양자 중력 효과가 액시온 포텐셜과 CP 위반에 미치는 영향을 정량화하기.
• 고에너지 QCD 인스턴턴트 기여가 중성자 전기 dipole moment에 미치는 영향과 향후 실험에서의 검출 가능성 평가하기.
• 우주론적 및 천체물리적 제약 조건을 충족하면서도 PQ 해를 유지하는 끈 진공의 비율을 결정하기.
• 칼라비-야우 기하학에서의 큰 N 효과가 인스턴턴트 행동에 계층을 생성하고, UV 기여를 억제함을 확립하기.

제안 방법

• 토릭 다양체 내의 칼라비-야우 3차원 초표면의 옵티포르멜드 오리엔티포드에서의 유형 IIB 끈 이론의 플럭스 압축 분석하기.
• D7-브레인들이 4-사이클을 감싸는 QCD 모델링, QCD 액시온은 라몽-라몽 4형식 C4의 축소에서 유래함.
• 초위상 및 캄레-카이러 포텐셜 형식론을 사용하여 D-브레인 인스턴턴트 기여를 액시온 포텐셜에 계산하기.
• 특히 유전 및 최면적 자가기원적 나누기의 초기화된 4-사이클 부피를 통해 인스턴턴트 행동 평가하기.
• 비형식적 사이클에서의 Kähler 포텐셜 인스턴턴트 가능성을 평가하기 위해 재조합 비율 형식론 적용하기.
• 2 ≤ h¹¹ ≤ 4 및 [53]에서의 높은 h¹¹를 가진 유리한 칼라비-야우 초표면에 대한 앙상블 통계를 사용하여 평균 및 최소 나누기 부피 추정하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자 중력 효과를 포함할 경우, 끈 압축의 괴로운 집단에서 Peccei-Quinn 메커니즘이 유지 가능한가?
• RQ2 유전 및 자가기원적 나누기에서 감싸이는 D-브레인 인스턴턴트는 PQ 메커니즘에서 액시온 포텐셜과 CP 위반에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 중성자 전기 dipole moment은 액시온 수 N에 따라 어떻게 의존하는가, 특히 N > 17일 경우 어떻게 되는가?
• RQ4 고에너지 QCD 인스턴턴트—특히 벡터형 쌍을 포함한 경우—는 CP 위반에 얼마나 기여하며, 향후 실험에서 검출 가능할까?
• RQ5 비형식적 사이클에서의 Kähler 포텐셜 인스턴턴트는 PQ 품질 조건을 크게 변화시킬 수 있으며, 큰 재조합은 가능할까?

주요 결과

• D-브레인 인스턴턴트 기여로 인한 중성자 전기 dipole moment은 N⁴에 따라 지수적으로 감소하며, 연구된 집단에서 N > 17일 경우 무시 가능해진다.
• 시험 세트에서 최소 자가기원적 나누기의 평균 크기는 최소 유전 나누기보다 68배 크며, 최소 비율은 4.6로, 이는 유전 나누기가 PQ 품질 문제에서 지배적임을 시사한다.
• 벡터형 쌍이 없는 경우, 고에너지 QCD 인스턴턴트는 중성자 전기 dipole moment에 영향을 주지만 현재의 제약 조건에서는 배제되지 않으며, 초대칭 붕괴가 낮을 경우 향후 실험에서 접근 가능할 수 있다.
• 벡터형 쌍의 포함은 중성자 전기 dipole moment을 증가시켜 관측 가능한 효과로 이어질 수 있다.
• 비형식적 사이클에서 큰 재조합(rΣ ≳ 1)의 증거는 없으며, WGC는 PQ 메커니즘을 무효화할 만큼 충분한 재조합을 암시하지 않는다.
• 연구된 모델의 상당 부분이 표준 우주론적 및 천체물리적 제약 조건을 충족하며, 이는 PQ Axiverse가 끈 진공 해법의 타당하고 광범위한 클래스임을 시사한다.