[論文レビュー] PQ Axiverse

Mehmet Demirtaş, Naomi Gendler+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2021

Black Holes and Theoretical Physics被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、タイプIIB超弦理論のコンpactificationの広いクラスにおいて、Peccei-Quinn機構を介して強いCP問題が自然に解決されることを示している。量子重力的および高エネルギーQCDインスタントン効果が17個以上のアキソンを含むモデルでは抑制されることを示している。主な結果は、D-braneインスタントンによるアキソン媒介CP違反がNに従って指数関数的に減少し、N > 17では無視可能になることである。これにより、アキソン解が超弦真空実現の大部分で安定化される。

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.

研究の動機と目的

• 超弦理論コンパクト化におけるPeccei-Quinn機構の妥当性を評価すること、特にUV物理学がアキソン解の強いCP問題に与える影響を検討すること。
• 量子重力的効果、特にD-braneインスタントンがアキソンポテンシャルおよびCP違反に与える影響を定量化すること。
• 高エネルギーQCDインスタントンが中性子電気双極子モーメントに与える寄与と、将来的な実験での検出可能性を評価すること。
• 宇宙論的および天体物理学的制約を満たしつつPQ解を保存する超弦真空の割合を特定すること。
• Calabi-Yau幾何における大きなN効果がインスタントン作用に階層を生み出し、UV寄与を抑制することを確立すること。

提案手法

• トーリック多様体内のCalabi-Yau三重超曲面のオントロフォールド上のタイプIIB超弦理論のフラックスコンパクト化を分析すること。
• D7-braneが4-サイクルを包囲するようにモデル化し、QCDアキソンがR-R 4-form C4の次元削減から生じることを想定すること。
• 超位エネルギー汎関数およびケーラー汎関数形式を用いてD-braneインスタントンがアキソンポテンシャルに与える寄与を計算すること。
• 特に継承されたおよびミニフェース因子分解型自己生成除集合を介して、Calabi-Yau内のホロモーフィック4-サイクルの体積を通じてインスタントン作用を評価すること。
• 非ホロモーフィックサイクルからのケーラー汎関数インスタントンの可能性を評価するために、再結合分率形式を適用すること。
• 2 ≤ h¹¹ ≤ 4および[53]におけるより高いh¹¹を有する有利なCalabi-Yau超曲面のアンサンブル統計を用いて、平均および最小の除集合体積を推定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子重力的効果を含めた広大な超弦コンパクト化のアンサンブルにおいて、Peccei-Quinn機構が依然として妥当性を保つことができるか。
• RQ2 継承されたおよび自己生成除集合を包囲するD-braneインスタントンが、PQ機構におけるアキソンポテンシャルおよびCP違反に与える影響は何か。
• RQ3 中性子電気双極子モーメントはアキソン数Nに依存するが、特にN > 17の場合にその依存関係はどのように変化するか。
• RQ4 高エネルギーQCDインスタントン、特にベクトル型対を伴うもの—はCP違反にどの程度寄与するか。また、将来的な実験で検出可能か。
• RQ5 非ホロモーフィックサイクルからのケーラー汎関数インスタントンがPQ品質条件を顕著に変化させ得るか。また、大規模な再結合は現実的か。

主な発見

• D-braneインスタントン寄与による中性子電気双極子モーメントはN⁴に従って指数関数的に減少し、研究されたアンサンブルにおいてN > 17では無視可能になる。
• テストセットにおける最小の自己生成除集合は、最小の継承除集合の平均で68倍大きく、最小比は4.6に達する。これは、継承除集合がPQ品質問題の支配的要因であることを示している。
• ベクトル型対が存在しない場合、高エネルギーQCDインスタントンは中性子電気双極子モーメントに寄与するが、現在の制約では除外されない。低エネルギー超対称性破れの下では、将来的な実験で検出可能である可能性がある。
• ベクトル型対の導入により、中性子電気双極子モーメントが増大し、観測可能な効果につながる可能性がある。
• 非ホロモーフィックサイクルにおいて大規模な再結合（rΣ ≳ 1）の証拠はなく、WGCはPQ機構を無効にするのに十分な再結合を示唆しない。
• 研究されたモデルの顕著な割合が、標準的な宇宙論的および天体物理学的制約を満たしており、PQアキソン宇宙は超弦真空解の妥当で広範なクラスであることが示された。