[論文レビュー] The String Dilaton and a Least Coupling Principle

Thibault Damour, A. M. Polyakov|CERN Bulletin|Jan 14, 1994

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 42

ひとこと要約

本稿では、非摂動的ストリングループ効果が、質量ゼロのドライソンが物質と結合しなくなる値へと向かうように作用する宇宙論的アトラクター機構を誘導すると提案している。これを『最小結合原理』と呼ぶ。この結果、質量ゼロのドライソンを実験的制約と自然に調和させることができる。定量的な見積もりでは、一般相対性理論からの残存ずれは、モデルパラメータに応じて $10^{-14}$ から $10^{-23}$ の間のレベルで予測される。

ABSTRACT

It is pointed out that string-loop modifications of the low-energy matter couplings of the dilaton may provide a mechanism for fixing the vacuum expectation value of a massless dilaton in a way which is naturally compatible with existing experimental data. Under a certain assumption of universality of the dilaton coupling functions , the cosmological evolution of the graviton-dilaton-matter system is shown to drive the dilaton towards values where it decouples from matter (``Least Coupling Principle"). Quantitative estimates are given of the residual strength, at the present cosmological epoch, of the coupling to matter of the dilaton. The existence of a weakly coupled massless dilaton entails a large spectrum of small, but non-zero, observable deviations from general relativity. In particular, our results provide a new motivation for trying to improve by several orders of magnitude the various experimental tests of Einstein's Equivalence Principle (universality of free fall, constancy of the constants,\dots).

研究の動機と目的

• ストリング理論における質量ゼロのドライソンと、その結合定数に対する厳密な実験的制約との間の矛盾を解消すること。
• ストリングループ補正が、宇宙論的進化の過程でドライソンを物質からの分離状態へと駆り立てる可能性を示すこと。
• 一般相対性理論からの残存ずれ、特に弱等效原理における定量的見積もりを提供すること。
• 今後の高精度の等效原理テストがストリングスケール物理学の探査手段として有効であることを動機づけること。
• ストリング理論におけるモジュライ場が、同様のメカニズムによっても固定可能かどうかを検討すること。

提案手法

• 樹形および高次のループ補正を含む、重力子-ドライソン-物質系の低エネルギー有効作用を分析する。
• 粒子種別に一様な物質結合強度を記述する一般化されたドライソン結合関数 $ B(\varphi) $ を導入する。
• 量子のしきい値効果を組み込んだ、ドライソン場 $ \varphi $ の放射時代および物質時代における宇宙論的進化をモデル化する。
• 位相干渉を考慮した、放射時代における $ \varphi $ の振動振幅をWKB近似で計算する。
• ランダムな位相の統計的平均を用いて、放射時代と物質時代の寄与の積として、全アトラクション要因 $ F_t(\kappa) $ を導出する。
• 位相平均の下で、等效原理の最大残存破れを $ (\Delta a/a)^{\max}_{\text{rms}} = 1.36 \times 10^{-18} \kappa^{-4} (\Delta\varphi)^2 $ として推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非摂動的ストリングループ効果が、自然にドライソンの物質への結合を抑制し、実験的制約を回避できるか？
• RQ2 ドライソン場の宇宙論的進化が、物質からの分離固定点へと動的に駆り立てるか？
• RQ3 現在の時代における、一般相対性理論からの残存ずれ、特に弱等效原理における定量的レベルは何か？
• RQ4 放射時代におけるドライソン振動の位相相関が、最終的な結合強度にどのように影響するか？
• RQ5 今後の高精度の等效原理テストが、ストリング理論の根本的構造を探査できるか？

主な発見

• ドライソンの宇宙論的進化は、物質と結合しなくなる値へと向かうアトラクター機構によって支配され、これが『最小結合原理』の実現をもたらす。
• ドライソンの物質への残存結合強度は、$ \kappa $ や $ \Delta\varphi $ などのモデルパラメータに応じて最大で $ 10^{-23} $ に抑えられると予測されるが、ランダム位相仮定下ではより保守的な $ 10^{-18} $ の見積もりも得られる。
• 弱等效原理の最大破れは $ (\Delta a/a)^{\max}_{\text{rms}} = 1.36 \times 10^{-18} \kappa^{-4} (\Delta\varphi)^2 $ として推定され、将来的な実験で測定可能である可能性を示唆する。
• このメカニズムは位相平均に対して頑健であり、放射時代の振動における破壊的干渉が、従来想定されたよりも結合をより強く抑制することが示唆される。
• 結果から、高精度の等效原理テストが $ C_B/C_E $ および $ C_D/C_E $ の比を探査可能であり、ヒッグス系およびゲージ結合の統一に関する知見が得られる可能性がある。
• このアトラクター機構は、ストリング理論における他のモジュライ場に対しても適用可能であり、それらの真空値を固定するメカニズムを提供する可能性がある。