[论文解读] PQ Axiverse

Mehmet Demirtaş, Naomi Gendler+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2021

Black Holes and Theoretical Physics被引用 6

一句话总结

本文表明，在一类广泛的IIb型弦理论紧化中，通过Peccei-Quinn机制，强CP问题可自然解决，且在具有超过17个轴子的模型中，量子引力和高能QCD瞬子效应受到抑制。关键结果是，D膜瞬子引起的轴子介导的CP破坏随N指数衰减，当N > 17时可忽略不计，从而在弦真空实现的广大范围内稳定了轴子解。

ABSTRACT

We show that the strong CP problem is solved in a large class of compactifications of string theory. The Peccei-Quinn mechanism solves the strong CP problem if the CP-breaking effects of the ultraviolet completion of gravity and of QCD are small compared to the CP-preserving axion potential generated by low-energy QCD instantons. We characterize both classes of effects. To understand quantum gravitational effects, we consider an ensemble of flux compactifications of type IIB string theory on orientifolds of Calabi-Yau hypersurfaces in the geometric regime, taking a simple model of QCD on D7-branes. We show that the D-brane instanton contribution to the neutron electric dipole moment falls exponentially in $N^4$, with $N$ the number of axions. In particular, this contribution is negligible in all models in our ensemble with $N>17$. We interpret this result as a consequence of large $N$ effects in the geometry that create hierarchies in instanton actions and also suppress the ultraviolet cutoff. We also compute the CP breaking due to high-energy instantons in QCD. In the absence of vectorlike pairs, we find contributions to the neutron electric dipole moment that are not excluded, but that could be accessible to future experiments if the scale of supersymmetry breaking is sufficiently low. The existence of vectorlike pairs can lead to a larger dipole moment. Finally, we show that a significant fraction of models are allowed by standard cosmological and astrophysical constraints.

研究动机与目标

• 评估Peccei-Quinn机制在弦理论紧化中的可行性，特别是紫外物理是否会破坏轴子对强CP问题的解。
• 量化量子引力效应（特别是D膜瞬子）对轴子势和CP破坏的影响。
• 评估高能QCD瞬子对中子电偶极矩的贡献及其在未来的实验中可探测性。
• 确定满足宇宙学和天体物理学约束的同时仍保持PQ解的弦真空比例。
• 确立卡拉比-丘几何中大N效应生成瞬子作用量的层次结构，从而抑制紫外贡献。

提出的方法

• 分析IIb型弦理论在toric流形中卡拉比-丘三折叠超曲面的orientifold紧化。
• 在D7膜包裹四维循环上建模QCD，其中QCD轴子来自Ramond-Ramond 4-形式C4的约化。
• 使用超势和Kähler势形式化计算D膜瞬子对轴子势的贡献。
• 通过卡拉比-丘中全纯四维循环的体积评估瞬子作用量，特别是继承的和极小面因子分解自生除数。
• 应用重组分数形式化评估来自非全纯循环的潜在Kähler势瞬子。
• 使用[53]中2 ≤ h¹¹ ≤ 4及更高h¹¹的有利卡拉比-丘超曲面的系综统计，估算平均和最小除数体积。

实验结果

研究问题

• RQ1 当包含量子引力效应时，Peccei-Quinn机制在大量弦紧化中是否仍具有可行性？
• RQ2 包裹继承除数和自生除数的D膜瞬子如何影响PQ机制中的轴子势和CP破坏？
• RQ3 中子电偶极矩对轴子数量N的依赖关系如何，特别是当N > 17时？
• RQ4 高能QCD瞬子（尤其是矢量对）在多大程度上贡献CP破坏，且是否可在未来实验中探测到？
• RQ5 来自非全纯循环的Kähler势瞬子是否可能显著改变PQ质量条件，且大规模重组是否可能？

主要发现

• D膜瞬子对中子电偶极矩的贡献随N⁴指数衰减，在所研究的系综中当N > 17时可忽略不计。
• 在测试集中，最小的自生除数平均比最小的继承除数大68倍，最小比值为4.6，表明继承除数主导了PQ质量问题。
• 在无矢量对的情况下，高能QCD瞬子对中子电偶极矩的贡献未被当前限制排除，但如果超对称性破缺较低，未来实验可能探测到。
• 引入矢量对可增强中子电偶极矩，可能导致可观测效应。
• 在非全纯循环中未发现大规模重组（rΣ ≳ 1）的证据，且WGC并不意味着足够大的重组以破坏PQ机制。
• 所研究模型的显著比例满足标准宇宙学和天体物理学约束，表明PQ轴子宇宙是弦真空解中一个可行且广泛的类别。