[论文解读] Dilaton stabilization and composite dark matter in the string frame of heterotic-M-theory

Andrea Zanzi|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2012

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 60被引用 5

一句话总结

本文通过在膜宇宙设定中嵌入一种仿变色龙的弦论框架模型，在异色-M理论中提出了一种标量场稳定机制与复合暗物质。它将来自大质量体自旋场（惰性中微子）的卡西米尔能量识别为弦论框架下标量场稳定势的来源，并提出暗物质拉格朗日量类似于具有中微子对凝聚的金兹堡-朗道理论，从而在具有共形变换和量子修正的高维框架中实现了宇宙学常数问题的自上而下的实现。

ABSTRACT

In this paper we further elaborate on our recently proposed solution to the cosmological constant problem - Phys. Rev. D82 (2010) 044006. One of the elements of the solution is the chameleonic behaviour of the Einstein frame dilaton: the mass of the dilaton is an increasing function of the matter density. In that model, a proper structure of the string-frame form factors in the strong coupling region of string theory is assumed. In particular, a stabilizing potential of the string frame dilaton is present and it is supposed to be the result of a quantum calculation. Our main purpose in this article is to point out that the lagrangian of the chameleonic model for the dilaton can be embedded, to a large extent, in heterotic-M-theory. We illustrate some theoretical grounds that support the ansatz about the form factors. In this paper, we break bulk supersymmetry with a massive sterile spinor field (i.e. a bulk neutrino field) and, under certain assumptions about the full M-theory action, we point out the Casimir origin of the stabilizing potential for the string frame dilaton (particular attention is dedicated to the role of the conformal transformations involved). Moreover, we point out the similarity between the string frame dark matter lagrangian and a Ginzburg-Landau lagrangian with sterile neutrino pairs playing the role of dark matter particles. However, more research efforts are necessary to connect the bulk spinor (neutrino) lagrangian with the Ginzburg-Landau lagrangian through direct calculations. A phenomenological test of these ideas is definitely required.

研究动机与目标

• 在异色-M理论中，为标量场的仿变色龙弦论框架模型提供一种自上而下的理论嵌入。
• 利用大质量体自旋场（惰性中微子）的卡西米尔能量，识别弦论框架下标量场稳定势的量子起源。
• 通过中微子对凝聚，探索弦论框架下暗物质拉格朗日量与金兹堡-朗道有效理论之间的联系。
• 阐明在标量场稳定与变色龙行为背景下，弦论框架与爱因斯坦框架之间共形变换的作用。
• 为现象学检验奠定基础，并进一步连接到循环宇宙情景或强耦合区动态。

提出的方法

• 假设完整的M理论作用量包含11维引力耦合 $k^2$ 的高阶修正，同时保持标量场动能项与非最小耦合项的形式不变。
• 通过大质量惰性自旋场（体中微子）引入体超对称性破缺，将其建模为卡西米尔能量的来源。
• 应用[13]中的袋模型分析，计算袋框架下的卡西米尔能量，并通过共形变换将其映射到弦论框架。
• 从卡西米尔能量推导出有效的弦论框架标量场势，表明其具有稳定作用。
• 将弦论框架下的暗物质拉格朗日量与金兹堡-朗道理论进行比较，识别出惰性中微子对为复合暗物质组分。
• 采用模空间近似方法解耦引力与物质场，从而分析标量场的类变色龙行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在异色-M理论中，仿变色龙模型下弦论框架标量场的稳定势能否从量子修正中导出？
• RQ2 在高维框架中，弦论框架下标量场的非最小耦合项与动能项的起源是什么？
• RQ3 在5D膜宇宙设定中，来自大质量体自旋场的卡西米尔能量如何生成弦论框架下标量场的稳定势？
• RQ4 在何种程度上，弦论框架下的暗物质拉格朗日量可被解释为具有惰性中微子凝聚的金兹堡-朗道有效理论？
• RQ5 在此模型中，共形变换在连接袋框架、弦论框架与爱因斯坦框架之间起到何种作用？

主要发现

• 在5D膜宇宙设定中，来自大质量体自旋场的卡西米尔能量为弦论框架下标量场的稳定势提供了量子起源。
• 该稳定势源于破坏BPS条件的M理论作用量中的高阶修正，导致非BPS、非标度不变的背景。
• 在这些高阶修正下，弦论框架下标量场的动能项与非最小耦合项在形式上保持不变。
• 弦论框架下暗物质拉格朗日量与金兹堡-朗道理论极为相似，其中惰性中微子对形成复合标量凝聚。
• 在势能极小值处，标量场 $\phi$ 与物质场 $\Phi$ 近似相等，$\phi \simeq \Phi$，支持了稳定机制的一致性。
• 该模型避免了在爱因斯坦框架下的微调需求，且由于标量场的类变色龙行为，宇宙学常数得以保持受控。