[论文解读] Large Field Inflation/Quintessence and the Refined Swampland Distance Conjecture

Ralph Blumenhagen|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2018

Stochastic processes and statistical mechanics参考文献 40被引用 26

一句话总结

本文研究了大场暴胀与轴子暗能量模型是否能在弦理论中一致实现，聚焦于精炼的景观距离猜想（RSDC）。文章认为，这些模型所需的超普朗克尺度场运动在弦理论导出的有效场论中面临根本性的控制问题，表明此类模型可能属于景观之外——即无法在一致的量子引力框架中实现紫外完备化。

ABSTRACT

Attempts to construct string derived effective field theory models realizing large field inflation are plagued by control issues. Targeted at a broader audience, in this article we review recent progress in isolating the underlying conceptual reasons for this failure. Special emphasis is given to models of axion monodromy inflation and their relation to the Swampland Distance Conjecture. This discriminates effective actions that admit a UV completion, the landscape, from those that do not, the swampland. Since they are conceptually very similar, we also comment on implied challenges for axionic quintessence models.

研究动机与目标

• 评估大场暴胀与轴子暗能量模型是否能在弦理论导出的有效场论中一致实现。
• 研究精炼的景观距离猜想（RSDC）在约束轴子单态模型中超普朗克尺度场运动范围方面的作用。
• 探讨此类模型是否因轴子质量与重轴子模质量之间的层级关系而面临不可逾越的控制问题。
• 判断这些模型是否可能属于景观之外——即无法在一致的量子引力框架中实现紫外完备化。
• 考察RSDC对轴子暗能量的影响，与暴胀模型进行类比，并探讨de Sitter真空可能存在的无解定理。

提出的方法

• 分析轴子单态暴胀模型，其中轴子的规范对称性通过分支结构自发破缺，从而实现大场运动。
• 将精炼的景观距离猜想（RSDC）应用于约束基于轴子模型中的场运动范围，要求场保持在可控范围内。
• 评估大场暴胀所需的超普朗克尺度场运动与RSDC之间的张力，后者限制了有效场论中的场范围。
• 考虑宇宙学模问题：轴子质量必须超过30 TeV以避免晚期衰变，从而引入质量层级 λ ∼ M_Θ / M_heavy ∼ 10^−45。
• 评估稳定模和生成小轴子质量所需的大通量的一致性，检查是否违反 tadpole 取消及其他弦论约束。
• 将轴子暗能量模型与暴胀模型进行比较，认为由于RSDC的存在，类似的控制问题同样出现，暗示两者可能都属于景观之外。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在弦理论导出的有效场论中一致实现具有可测量张量标量比的大场暴胀模型？
• RQ2 精炼的景观距离猜想（RSDC）在多大程度上约束了轴子单态模型中的场运动范围？
• RQ3 宇宙学模问题对弦理论中轴子暗能量模型有何影响？
• RQ4 轴子暗能量模型是否也面临与大场暴胀模型相同的控制问题，原因在于RSDC？
• RQ5 RSDC能否作为区分有效场论是否可实现紫外完备化（景观）与不可实现（景观之外）的标准？

主要发现

• 需要超普朗克尺度场运动的大场暴胀模型在弦理论导出的有效场论中面临根本性的控制问题，表明其可能无法实现一致的紫外完备化。
• 精炼的景观距离猜想（RSDC）表明，当场运动接近或超过普朗克尺度时，在有效场论中将不再受控，尤其在轴子质量远小于轴子模质量时更为明显。
• 对于轴子暗能量模型，轴子与轴子模质量之间所需的层级 λ ∼ M_Θ / M_heavy ∼ 10^−45 导致巨大的通量，极有可能违反 tadpole 取消条件，使此类模型在弦理论中不一致。
• 尽管轴子单态模型相比标准大场暴胀模型减少了所需的场运动范围，但仍处于接近超普朗克尺度的区域，此时RSDC施加了强烈约束。
• 本文建议，大场暴胀与轴子暗能量模型可能都属于景观之外，因为它们在RSDC及其他弦论一致性条件下面临无法逾越的控制问题。
• 与滚动永恒暗能量模型及de Sitter真空的类比表明，若RSDC成立，则此类模型可能与弦理论根本不相容，提示可通过宇宙学观测对理论进行潜在证伪。