[论文解读] Hidden Sectors in String Theory: Kinetic Mixings, Fifth Forces and Quintessence

B. S. Acharya, Anshuman Maharana+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2018

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 143被引用 4

一句话总结

本文研究了弦紧化中几何分离的隐藏 sector 模与标准模型之间的动力学混合，表明此类混合诱导第五力强度的耦合，从而将紧化体积限制为较大值——通常 >10^12——以避开实验约束。结果表明额外维体积存在严格的下限，并凸显了五次元场模型与模稳定性在量子修正下的微调难题。

ABSTRACT

Light moduli fields in string compactifications can have interesting implications for particle physics and cosmology. Fifth force bounds impose stringent constraints on the interactions of such moduli with the visible sector. To be consistent with the bounds, they need to be part of hidden sectors which interact with the Standard Model with weaker-than-Planck suppressed interactions. We consider scenarios in which the visible sector degrees of freedom are localised in the compactification and light moduli arise as closed string degrees of freedom associated with hidden sectors which are geometrically separated (in the extra-dimensions) from the Standard Model. Kinetic mixings lead to interactions between the moduli and the visible sector - we compute these using Kaehler potentials of string/M-theory compactifications. We argue that in general these interactions provide a lower bound on the strength of the interactions between the moduli and the visible sector. The interactions scale with inverse powers of the volume of the compactification, thus fifth force bounds can be translated to lower bounds on the volume of the extra-dimensions. We find that compactification volumes have to be large to evade the bounds. This imposes interesting constraints on quintessence model building in string theory. Our results for the strength of the interactions can also be used to quantify the fine-tuning necessary for the stability of the potential of a light modulus against quantum corrections involving visible sector loops.

研究动机与目标

• 理解弦紧化中隐藏 sector 轻模与可见 sector 之间相互作用的强度。
• 在模与标准模型几何分离的前提下，从第五力约束推导出紧化体积的限制。
• 评估此类模作为弦理论中五次元场的可行性，考虑第五力与等效原理约束。
• 量化为使轻模在可见 sector 量子圈修正下稳定所需满足的微调程度。
• 探讨模与规范玻色子及费米子之间非普遍耦合是否可能引发可观测的等效原理破坏。

提出的方法

• 利用弦/M-理论紧化中的Kähler势，计算隐藏 sector 模与标准模型场之间的动力学混合。
• 推导模与可见 sector 场之间有效耦合强度作为紧化体积的函数，显示其呈反幂律依赖。
• 应用第五力约束（例如来自Eöt-Woodworth实验和月球激光测距实验）转化为额外维体积的下限。
• 使用有效场论估算可见 sector 量子圈对模质量的量子修正，其量级为 δm² ∼ Λ⁴/Λ²。
• 考虑动力学矩阵与质量矩阵之间对齐的作用以抑制耦合，并评估此类对齐在弦紧化中发生的可能性。
• 分析模与规范场及物质场之间的非普遍耦合，指出其可能导致等效原理破坏。

实验结果

研究问题

• RQ1 在弦紧化中，几何分离的隐藏 sector 模与可见 sector 之间的耦合强度如何？
• RQ2 第五力约束如何限制此类模型中紧化体积的大小？
• RQ3 隐藏 sector 中的轻模是否能介导长程力而不违反实验约束？
• RQ4 为使五次元场样模在可见 sector 量子圈修正下稳定，所需满足的微调程度如何？
• RQ5 模与可见 sector 场之间是否存在非普遍耦合，其现象学意义为何？

主要发现

• 几何分离的模与可见 sector 之间的动力学混合导致耦合强度随紧化体积的幂次反比变化，意味着体积越小，相互作用越强。
• 第五力约束要求紧化体积至少为 ∼10^12，以避免与实验约束冲突，从而施加了强烈的下限。
• 对于以尺度 Λ 抑制耦合的五次元场，若紧化体积约为 ∼10^12，可见 sector 量子圈修正可使其质量改变约 1 GeV，这比物理质量大 40 个数量级。
• 对规范玻色子与费米子的非普遍耦合普遍存在，提示可能存在可观测的等效原理破坏。
• 动力学矩阵与质量矩阵之间缺乏对齐，导致耦合无法抵消，因此推导出的体积下限在未强制对齐的情况下依然稳健。
• 结果强调了在五次元场模型构建中显式模稳定化的必要性，以确保与第五力和等效原理检验的兼容性。