[论文解读] Building Supergravity Quintessence Model

Chien-I Chiang, Hitoshi Murayama|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2018

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 28被引用 26

一句话总结

本文提出了两种超引力框架，以构建可行的第五种场（quintessence）模型，其暗能量状态方程参数 w > -1，且随时间演化，从而避免宇宙学常数问题。通过在第五种场 sector 上施加平移对称性，或采用隔离的超引力（sequestered supergravity），模型使第五种场势能稳定，免受超对称性破缺效应的影响，并满足第五种力约束，从而实现与宇宙学常数的可观测差异。

ABSTRACT

It was recently pointed out that the cosmological constant (even metastable one) belongs to the so-called "swampland" and hence cannot be obtained as the low-energy limit of string theory that requires $| abla V| > c V$. If true, the dark energy needs to be described by an evolving scalar field, i.e., quintessence with $w>-1$ within supergravity. However, the large hierarchy between the supersymmetry breaking scale and the energy scale of dark energy imposes a challenge on building quintessence models in supergravity as the quintessence field typically acquires a mass of order the gravitino mass. We investigate two approaches to circumvent this obstacle. One is imposing shift symmetry to the quintessence sector, and we demonstrate any quintessence potential can be embedded into supergravity and the fifth force constraint gives little limit on quintessence field displacement, leading to possible observational signature $w>-1$. The structure is stable against quantum corrections. A particular example can address the cosmic coincidence problem. The other approach is sequestered supergravity, and the stability requirement strongly constrains the form of the Kahler potential and superpotential, and the quintessence field displacement is typically much smaller than Planck mass. In addition, to satisfy the fifth force constraint, the quintessence field displacement is further restricted in the sequestered case, requiring $c \ll 1$.

研究动机与目标

• 解决在超引力中构建可行第五种场模型的挑战，其中标量势能在引力费米子质量量级上因超对称性破缺而变得不稳定。
• 确保第五种场即使与高能超对称性破缺区耦合，仍保持轻质量（哈勃尺度质量）。
• 满足因物质-第五种场耦合而产生的第五种力约束，尤其在场位移较大的模型中。
• 探究第五种场是否可在不因量子修正退化为宇宙学常数的情况下，嵌入超引力框架。
• 研究是否存在与动力学暗能量相容的‘荒漠猜想’（swampland conjecture）——即禁止 de Sitter 真空——与超引力框架的兼容性。

提出的方法

• 在凯勒势（Kähler potential）中对第五种场超多重态施加平移对称性，确保标量势能保持平坦，且与第五种场虚部无关。
• 将第五种场势能构造成超势（superpotential）实部的正比函数，从而可在超引力中嵌入任意势能形状。
• 采用隔离超引力，将隐藏 sector 与第五种场 sector 分离于不同 3-膜上，从而在树图级别抑制超对称性破缺对第五种场的直接影响。
• 通过依赖第五种场指数函数的费米子质量项分析物质-第五种场耦合，推导出对场位移的第五种力约束。
• 在隔离情景中应用普朗克尺度抑制高阶修正，以维持稳定性，确保凯勒势近似不变。
• 在两种框架中评估状态方程参数 w，表明平移对称性允许 w > -1 且场位移较大，而隔离机制则将位移限制在 c ≪ 1 范围内。

实验结果

研究问题

• RQ1 当引力费米子质量为 TeV 量级时，能否在超引力中一致实现质量为哈勃尺度的第五种场？
• RQ2 凯勒势中的平移对称性如何防止第五种场势能因超对称性破缺而变得不稳定？
• RQ3 隔离超引力在多大程度上抑制了引力费米子质量对第五种场质量的贡献？
• RQ4 由于第五种力相互作用，第五种场位移受到何种观测约束？
• RQ5 能否在满足荒漠猜想且避免宇宙学常数的前提下，在超引力中构建 w > -1 的第五种场模型？

主要发现

• 凯勒势中的平移对称性允许任意第五种场势能嵌入超引力，且势能与超势的实部成正比。
• 在平移对称模型中，第五种力约束对场位移的限制不强，因为第五种场不参与费米子质量项的指数因子。
• 在隔离超引力模型中，第五种场在树图级别不获得引力费米子质量，但高阶修正需普朗克尺度抑制以维持稳定性。
• 在隔离模型中，第五种场位移受第五种力限制，必须满足 c ≪ 1，其中 c 与轻/重粒子质量比相关。
• 平移对称模型可通过隐藏的 SQCD 轴子自然缓解宇宙巧合问题，将暗能量尺度与电弱尺度联系起来。
• 在平移对称模型中，即使场位移较大，状态方程参数 w 仍可偏离 -1，使其在观测上可与宇宙学常数区分。