[논문 리뷰] From Axions to Other WISPs.

Andreas Ringwald|arXiv (Cornell University)|2009. 01. 01.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 초위상 이론의 압축에서 출현하는 아키온과 기타 매우 가벼운, 약하게 상호작용하는 서브-eV 입자들(이하 WISPs)을 조사한다. 이는 추가 차원을 압축한 후 저에너지 유도 이론에서 보조 스칼라 아키온과 은밀한 U(1) 게이지 보손이 질량이 없거나 가벼운 상태로 나타나는 방식을 보여준다. 주요 기여는 초위상 이론적 통합에서 WISP 후보를 상향식으로 유도하는 것으로, 이들은 비정상적인 U(1) 대칭과 은밀한 섹터 동역학을 통해 실존 가능한 압축에서 일반적으로 나타남을 강조한다.

ABSTRACT

It is a tantalizing question whether there is new physics below the Standard Model. That is to ask, whether there are new very light particles – apart from the known ones with sub-eV mass, the photon and the neutrinos – which are very weakly coupled to the Standard Model. In fact, embeddings of the latter into more unified theories, in particular into string theory, suggest their possible existence in a so-called hidden sector of the theory. Prominent examples of inhabitants of the latter are the axion and axion-like particles, arising as pseudo NambuGoldstone bosons associated with the breakdown of global anomalous U(1) symmetries. They occur generically in realistic string compactifications, as we will review below. Extra, hidden U(1) gauge bosons are also frequently encountered in string embeddings of the Standard Model, as we will summarize below. There is no reason why some of these hidden U(1) gauge bosons can not be massless or very light, in which case they also belong to the class of very weakly interacting sub-eV particles (WISPs). Further candidates for WISPs are very light hidden sector particles which are charged under the hidden U(1)s. In this contribution, we will take a top-down point of view: we will illustrate how axions and other WISPs arise in the course of compactification of the extra dimensions of string theory. For the bottom-up point of view, i.e. for arguments and phenomenological as well as cosmological hints which point to the possible existence of WISPs, see the contributions of Joerg Jaeckel and Javier Redondo in these proceedings. Axions from string compactifications.– The low-energy effective actions describing the dynamics of the massless bosonic excitations of the heterotic and type II string theories in 9+1 dimensions are summarized in Table 1. As we will see, after compactification of six of the spatial dimensions, pseudo-scalar fields a will generically arise which have a coupling a trG∧G

연구 동기 및 목표

• 초위상 이론 내에서 아키온과 기타 매우 가벼운, 약하게 상호작용하는 서브-eV 입자들(이하 WISPs)의 이론적 기원을 이해하는 것.
• 초위상 이론의 압축에서 아키온이 전역 비정상적인 U(1) 대칭의 자발적 위반으로 인해 보조-나무부-골드스톤 보손으로 나타나는 방식을 설명하는 것.
• 실존 가능한 초위상 이론의 압축에서 은밀한 U(1) 게이지 보손이 일반적으로 나타나며, 그들이 저에너지 스펙트럼에서 어떻게 가벼운 상태로 유지될 수 있는지 보여주는 것.
• 초위상 이론의 압축과 WISPs의 출현을 연결하는 상향식 프레임워크를 제공함으로써, 아키온 유사 입자와 은밀한 섹터에 속한 전하를 띤 입자들을 포함한 WISPs의 기원을 통합적으로 설명하는 것.
• 기본적인 초위상 이론에서 저에너지 효과적 상호작용을 도출함으로써, WISPs의 현상물리적 및 천체물리적 연구를 위한 기초를 마련하는 것

제안 방법

• 9+1 차원에서의 헤터로틱 및 타입 II 초위상 이론의 저에너지 효과적 작용을 유도하며, 질량이 없는 스칼라 보조 진동수에 집중한다.
• 여섯 개인 공간 차원을 압축함으로써 4차원 효과적 이론에서 보조 스칼라 필드(아키온)가 출현하는 것을 분석한다.
• 아키온이 압축된 이론에서 전역 비정상적인 U(1) 대칭의 위반과 관련된 보조-나무부-골드스톤 보손으로 식별된다.
• 효과적 작용에서 axion 상호작용을 지배하는 항 a trG∧G를 통해 아키온의 게이지 필드와의 상호작용을 분석한다.
• 저에너지 스펙트럼에서 은밀한 U(1) 게이지 보손의 잠재적 질량 없음 또는 가벼움을 고려하여 분석을 확장한다.
• 은밀한 U(1) 게이지 보손과 결합하는 전하를 지닌 은밀한 섹터 입자를 포함하여, 효과적 이론에서 WISP 스펙트럼를 완성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초위상 이론의 압축 후 저에너지 효과적 이론에서 아키온이 어떻게 보조-나무부-골드스톤 보손으로 출현하는가?
• RQ2 효과적 작용에서 a trG∧G 항의 기원은 무엇이며, 이는 아키온이 게이지 필드와 상호작용하는 방식과 어떻게 관련되는가?
• RQ3 은밀한 U(1) 게이지 보손이 왜 초위상 이론의 압축에서 일반적으로 존재하는가? 그리고 어떤 조건에서 질량이 없거나 가벼운 상태로 유지될 수 있는가?
• RQ4 이와 같은 프레임워크 내에서 다른 WISPs, 예를 들어 은밀한 섹터에 속한 전하를 지닌 입자들의 존재와 특성은 무엇에 의해 결정되는가?
• RQ5 상향식 초위상 이론적 접근이 실존 가능한 압축에서 아키온과 다른 WISPs의 통합된 기원을 어떻게 제공하는가?

주요 결과

• 아키온은 초위상 이론의 압축에서 전역 비정상적인 U(1) 대칭의 자발적 위반으로 인해 일반적으로 보조-나무부-골드스톤 보손으로 출현한다.
• 효과적 작용에서 a trG∧G 항은 아키온과 게이지 장 강도 간의 상호작용을 지배하는 핵심적 특징이다.
• 은밀한 U(1) 게이지 보손은 초위상 이론적 통합에서 자주 나타나며, 가벼운 상태 또는 질량이 없는 상태로 유지될 수 있어 WISPs로 간주된다.
• 여섯 개의 공간 차원을 압축함으로써 아키온과 은밀한 섹터 상태를 포함한 다양한 가벼운, 약하게 상호작용하는 입자들의 풍부한 스펙트럼이 출현한다.
• 은밀한 U(1) 게이지 보손과 결합하는 은밀한 섹터의 전하를 지닌 입자들은 이 프레임워크에서 자연스러운 WISP 후보이다.
• 이 프레임워크는 초위상 이론에서 WISPs를 일관되고 상향식으로 도출하여, 실존 가능한 압축에서 그들의 이론적 타당성을 확립한다.