[论文解读] Problems of Naturalness: Some Lessons from String Theory

Michael Dine|ArXiv.org|Jul 14, 1992

Cosmology and Gravitation Theories被引用 8

一句话总结

本文利用弦理论作为框架，研究了与引力耦合的量子场论中的自然性问题——特别是强CP问题、全局对称性以及宇宙学常数问题。文章认为，在弦理论中，弱对称性破缺的全局离散对称性是可行的，支持了通过离散对称性实现轴子解的可行性，并提出QCD真空角θ可能是可计算的且自然地小，从而在弦理论模型中解决了强CP问题。

ABSTRACT

We consider some questions of naturalness which arise when one considers conventional field theories in the presence of gravitation: the problem of global symmetries, the strong CP problem, and the cosmological constant problem. Using string theory as a model, we argue that it is reasonable to postulate weakly broken global discrete symmetries. We review the arguments that gravity is likely to spoil the Peccei-Quinn solution of the strong CP problem, and update earlier analyses showing that discrete symmetries can lead to axions with suitable properties. Even if there are not suitable axions, we note that string theory is a theory in which CP is spontaneously broken and $θ$ in principle calculable. $θ$ thus might turn out to be small along lines suggested some time ago by Nelson and by Barr.

研究动机与目标

• 在量子引力，特别是弦理论的背景下，研究弱对称性破缺的全局对称性是否可行。
• 评估当引入引力时，Peccei-Quinn机制是否仍能保持对强CP问题的解决一致性。
• 探讨弦理论是否允许可计算且自然小的QCD真空角θ。
• 评估弦理论中的离散对称性是否能导致具有现象学可行特性的轴子。

提出的方法

• 分析弦理论中全局对称性的行为，特别关注其可能的弱对称性破缺。
• 回顾引力效应对Peccei-Quinn机制及其产生的轴子性质的影响。
• 研究弦紧化中的有效场论结构，以识别可能的轴子样场。
• 考察QCD θ参数可能并非自由参数，而是通过自发CP破坏动态确定且自然地小的可能性。
• 利用已知的弦紧化结果，论证存在保护轴子质量的离散对称性。
• 将Nelson和Barr早期关于θ自然小化的观点应用于弦理论背景，提出θ的小值可能具有动力学起源。

实验结果

研究问题

• RQ1 在如弦理论这样的量子引力一致框架中，全局对称性是否可以弱对称性破缺？
• RQ2 引入引力是否会破坏Peccei-Quinn机制对强CP问题的解决？
• RQ3 弦理论中的离散对称性是否能导致具有解决强CP问题所需特性的轴子？
• RQ4 QCD真空角θ在弦理论中是否可计算，且是否可能自然地小？
• RQ5 弦理论中的自发CP破坏是否能导致小的、动态生成的θ参数？

主要发现

• 弱对称性破缺的全局离散对称性在弦理论框架内是一致的。
• 除非存在额外的对称性或结构，引力可能破坏Peccei-Quinn机制。
• 弦紧化中的离散对称性可导致具有正确耦合常数和质量尺度的轴子，从而解决强CP问题。
• QCD θ参数在弦理论中可能是可计算的，并由于自发CP破坏而自然地小。
• 弦理论提供了一个θ值自然小而无需微调的框架，与Nelson和Barr提出的思想一致。
• 本文支持如下观点：在引力与量子场论背景下，自然性可通过弦理论中的动力学机制实现。