[논문 리뷰] Swamplandish Unification of the Dark Sector

Cumrun Vafa|arXiv (Cornell University)|2024. 02. 01.

Space Science and Extraterrestrial Life인용 수 6

한 줄 요약

스웜플랜드 원리에 따라 하나의 초메소스코픽 차원(다크 차원)이 작은 암묵적 에너지를 설명하고 암흑 에너지를 암흑 차원의 그라비톤으로 암흑 물질과 통합하여 ΛCDM과 다른 미크론 규모의 추가 차원과 감쇠하는 KK 그라비온 암흑 물질 타워를 예측한다.

ABSTRACT

We provide a short overview of recent progress made in our understanding of the dark sector based on the Swampland program which in turn is rooted in lessons from string theory. We explain how the existence of one extra mesoscopic dimension (the ``dark dimension") in the micron range emerges and how this can lead to a unification of the dark energy and dark matter. In particular the smallness of the dark energy leads to the prediction of the existence of a tower of weakly interacting light particles which can naturally play the role of dark matter. Moreover this unifies dark matter with gravity as dark matter ends up being excitations of graviton in the dark dimension. We also explain how in combination with other Swampland principles one finds an explanation of the ``why now" and the ``cosmological coincidence" problems. This model is consistent with the cosmological bounds as well as the Newton's inverse square law, but makes predictions which differ from $Λ$CDM. It also gives rise to an appealing picture of hierarchy of scales in particle physics pegged to the dark energy, including a possible origin of the electroweak hierarchy and the prediction of masses of QCD axion and sterile neutrinos both in the 1-10 meV range. This review is intended for a broad audience of high energy theorists and cosmologists without prior knowledge of string theory and it explains the motivations and predictions of this program in a non-technical form.

연구 동기 및 목표

• 스웜플랜드 프로그램에서 문자열 이론 탐침을 사용하여 자연성 및 UV/IR 혼합을 동기화한다.
• 작은 암흑 에너지 규모로부터 단일 미크로미터 규모의 추가 차원(다크 차원)을 예측한다.
• 빛 KK/그라비톤 상태의 타워를 통해 암흑 에너지와 암흑 물질의 통합을 제안한다.
• 벌크-브레인 상호작용으로부터의 우주론적 결과 및 동적 암흑 물질 메커니즘을 기술한다.
• 특히 미크론 규모에서의 뉴턴 역제곱 법 테스트를 포함한 실험적 가능성을 개략적으로 제시한다.

제안 방법

• 우리 우주에 거리 추론/추측 및 디 Sitter/벌크 스웜플랜드 추측을 적용해 질량 m ~ Λ^a의 가벼운 상태 타워와 R ∼ Λ^(-1/4)의 가벼운 추가 차원을 추정한다.
• SM 필드가 (3+n)+1 차원 공간의 3+1D 브레인에 구속되는 것으로 주장하며, ISL 테스트 및 충돌 실험 경계와의 일관성을 통해 n 마이크로미터 규모의 차원이 나타난다고 본다.
• 중첩된 복사 주기에서 중력의 강한 결합으로 벌크 KK 그라비온으로의 에너지 누출을 추정하고 암흑 물질의 생성이 방사 우세한 시대에 발생한다고 도출한다.
• KK 암흑 그라비톤의 시간에 따른 진화로, Γ ~ m^3/M_p^2의 붕괴율과 m(t) ~ t^(-7/2)의 시간에 따른 질량 변화를 포함한다.
• 초기 온도 Teff를 관측 가능한 암흑 물질 양과 우주론적 동시성에 연결하는 스케일링 관계 예: y_DM ~ T_i^3 Λ^(-1/4).
• ISL 테스트, 중성자별 경계, CMB/BBN 고려사항으로부터의 실험적 제약을 논의한다.

Figure -1079 : As we go to extreme values of field space, a tower of light particles emerge whose mass scales exponentially with field space distance.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스웜플랜드 제약이 자연스럽게 미크론 규모의 다크 차원을 예측할 수 있는가?
• RQ2 KK 그라비온 타워가 암흑 에너지와의 통합을 갖는 실행 가능한 약상호작용 암흑 물질 후보를 제공하는가?
• RQ3 이러한 KK 그라비톤 암흑 섹터의 우주론적 함의 및 붕괴 시그니처는 무엇인가?
• RQ4 특히 ISL 편차를 포함한 어떤 실험적 테스트가 다크 차원 시나리오를 확인하거나 반증할 수 있는가?
• RQ5 스웜플랜드 추측은 이 프레임워크에서의 '왜 지금(now)' 문제와 우주론적 동시성 문제를 어떻게 다루는가?

주요 결과

• 미크론 범위의 하나의 추가 메소스코픽 차원(R ≳ 88 μm) 예측으로 ISL 테스트 및 현상학과 일치.
• 빛 KK/그라비톤 상태의 타워가 암흑 에너지와의 통합을 제공하는 자연스러운 암흑 물질 후보를 제공.
• 암흑 물질은 SM-브레인과 벌크 그라비톤의 결합으로 생성되며 Γ ~ m^3/M_p^2인 감쇠하는 동적 암흑 물질 타워로 진화한다.
• 현재 암흑 물질의 질량은 초기 GeV 규모에서 진화한 후 약 50–100 keV 질량 범위에 있을 것으로 기대된다.
• ISL 편차가 1–10 μm 규모에서 나타날 것이고 붕괴 산물의 작은 킥 속도가 구조 형성에 영향을 미칠 수 있다.
• Λ, Λ 및 T_DE를 연결하는 스케일링 관계를 통해 우주론적 동시성에 대한 설명을 제공한다.

Figure -1078 : The standard model brane, which is localized in the micron scale 5-th dimension, radiates gravitons into bulk, which serve as KK dark matter. Most of the initial dark matter distribution is at a mass close to the initial temperature.