[论文解读] Is Gravity the Weakest Force?

Satoshi Shirai, Masahito Yamazaki|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2019

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文研究 de Sitter 空间中的标量弱引力猜想（SWGC），提出引力弱于由无质量标量场介导的力。某些 SWGC 版本禁止极轻标量粒子（如 quintessence 和轴子样粒子）的存在，与 de Sitter 之沼泽猜想产生张力；而其他版本则保持现象学上的可行性，并可能具有可观测的低能效应。

ABSTRACT

It has recently been suggested that "gravity is the weakest force" in any theory with a suitable UV completion within quantum gravity. One formulation of this statement is the scalar weak gravity conjecture, which states that gravity is weaker than the force originating from scalar fields. We study the scalar weak gravity conjecture in de Sitter space, and discuss its low-energy consequences in light of the experimental searches for fifth forces and violations of the equivalence principle. We point out that some versions of the scalar weak gravity conjecture forbid the existence of very light scalar particles, such as the quintessence and axion-like particles. The absence of the quintessence field means that these versions of the scalar weak gravity conjecture are in phenomenological tension with the recently-proposed de Sitter swampland conjecture and its refinements. Some other versions of the scalar weak gravity conjecture escape these constraints, and could have interesting phenomenological consequences.

研究动机与目标

• 研究标量弱引力猜想（SWGC）在 de Sitter 空间中的现象学可行性。
• 评估 SWGC 的某些版本是否禁止极轻标量粒子（如 quintessence 和轴子样粒子）的存在。
• 检验 SWGC 与 de Sitter 之沼泽猜想及其改进版本的相容性。
• 从第五种力探测和等效原理破坏的实验搜索中推导 SWGC 的低能约束。
• 评估 SWGC 与标准模型希格斯场及其有效势的一致性。

提出的方法

• 提出一种 SWGC 版本，其中在 GWGC 状态的 2→2 弹性散射中，标量场的力超过引力。
• 使用由大质量粒子与无质量标量场之间的三线性耦合推导出的不等式 $ |\partial_\varphi m|^2 \geq \frac{m^2}{M_{\rm Pl}^2} $。
• 分析标准模型中希格斯场的有效势，以检验 SWGC 条件。
• 应用来自第五种力探测和等效原理破坏的观测约束，以限制 SWGC 参数。
• 在十一维超引力紧化于七维流形的情形下评估 SWGC，推导模场 $\rho$ 的有效势。
• 比较不同版本的 SWGC，特别区分 Gonzalo 和 Ibáñez (2019) 的版本 1 与版本 2。

实验结果

研究问题

• RQ1 某些标量弱引力猜想的表述是否禁止极轻标量粒子（如 quintessence 和轴子样粒子）的存在？
• RQ2 对第五种力的实验约束以及等效原理破坏的约束，如何限制标量弱引力猜想？
• RQ3 标量弱引力猜想与 de Sitter 之沼泽猜想及其改进版本的相容性如何？
• RQ4 在所提出的准则下，标准模型希格斯场是否满足标量弱引力猜想？
• RQ5 不同版本的 SWGC（例如 Gonzalo 和 Ibáñez 2019 年的版本 1 与版本 2）如何影响该猜想的现象学可行性？

主要发现

• 某些版本的标量弱引力猜想禁止极轻标量粒子（如 quintessence 和轴子样粒子）的存在。
• 这些 SWGC 版本与 de Sitter 之沼泽猜想及其改进版本存在现象学张力，后者要求存在此类极轻标量粒子。
• 其他 SWGC 版本可规避此张力，并可能产生可观测的低能效应。
• 在 Gonzalo 和 Ibáñez (2019) 的版本 2 中，标准模型希格斯势满足 SWGC 准则，其中 $ \chi(h)/h^2 \gg O(h^2/(16\pi^2)^2) $，表明对猜想有强烈支持。
• 在十一维超引力紧化于七维流形的情形下，有效势无论曲率项符号如何，均支持 SWGC 条件。
• 在标准模型中，不等式 $ \chi(h) \simeq \frac{3h^2}{8}[144(\lambda_{\rm eff} + \beta_{\rm eff})^2 + 23\beta_{\rm eff}^2] \geq \frac{V''}{M_{\rm Pl}^2} $ 成立，支持在版本 2 准则下该猜想。