[论文解读] Snowmass White Paper: Implications of Quantum Gravity for Particle Physics

Patrick Draper, Isabel García García+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Cosmology and Gravitation Theories被引用 5

一句话总结

本文主张量子引力对有效场论施加了基本约束，特别是禁止全局对称性，并要求所有近似对称性在普朗克尺度上显式破缺。这些约束为解决粒子物理学中长期存在的难题——如强CP问题、层次问题和味层次结构——提供了新的理论动机，通过引力诱导的对称性破缺将这些问题与紫外物理联系起来。

ABSTRACT

Quantum gravity places important consistency conditions on low-energy effective field theory, such as the absence of global symmetries. These may have important consequences in the search for particle physics beyond the Standard Model. We review some of these conditions and their phenomenological implications for the strong CP problem, the weak scale, new gauge interactions, and cosmology. We also offer some general comments on how these ideas can guide model building.

研究动机与目标

• 研究量子引力约束（尤其是无全局对称性）如何塑造低能有效场论的结构。
• 评估这些约束对粒子物理学未解问题（包括强CP问题、电弱层次问题和味结构）的范例影响。
• 通过表明量子引力要求对小的无量纲参数提供更深层次的解释，挑战技术自然性在模型构建中的主导地位。
• 通过强调近似对称性必须源于紫外物理而非作为低能近似，为未来模型构建提供指导。

提出的方法

• 分析景观计划（swampland program）的含义，特别是无全局对称性猜想，以黑洞信息佯谬和熵界限为关键动机。
• 应用有效场论技术，研究通过普朗克尺度抑制的高维算符引起的对称性破缺，特别是破坏重子数和轻子数的算符。
• 研究规范对称性和额外维在将近似全局对称性实现为涌现的红外现象中的作用。
• 利用全息原理和黑洞熵约束对称性破缺的大小，推导出最小允许破缺尺度的界限，量级为 exp(−8π²M_Pl²/Λ²)。
• 通过量子引力一致性条件评估宇宙学常数和暗能量问题。
• 将传统模型构建方法（如Froggatt-Nielsen模型、额外维度）与量子引力约束进行比较，以评估其紫外可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 量子引力约束（如无全局对称性）在多大程度上排除了具有近似全局对称性的低能有效场论？
• RQ2 普朗克尺度抑制的算符在多大程度上改变了强CP问题和电弱层次问题的范例？
• RQ3 在量子引力约束下，小的Yukawa耦合和费米子质量层次结构能否被解释为涌现的红外现象，而非偶然的微调？
• RQ4 景观计划对暗能量和宇宙学常数模型有何影响？
• RQ5 通过量子引力实现紫外完备性的要求如何影响基于技术自然性的模型的可行性？

主要发现

• 量子引力中不允许存在全局对称性；任何近似全局对称性都必须源于更深层的紫外结构，如规范对称性或额外维的局域化。
• 红外中的对称性破缺不一定是普朗克尺度抑制的；它可以是指数级微小的，其下限量级为 exp(−8π²M_Pl²/Λ²)，其中 Λ 是新物理尺度。
• 无全局对称性的结果意味着依赖于偶然或近似对称性（如标准模型中重子数守恒）的模型，必须通过规范对称性或额外维等机制实现紫外完备化。
• 在量子引力约束下，传统上被认为不如层次问题紧迫的味问题，获得了新的理论重要性，因为小的Yukawa耦合必须由紫外物理来解释。
• 宇宙学常数问题和强CP问题不仅仅是技术自然性问题，而是与量子引力的一致性条件深度关联，暗示其解可能需要新的紫外物理。
• 与技术自然性相比，量子引力提供了一个更强、更基础的自然性标准，倾向于用O(1)的输入来解释小参数，而非依赖微调抵消。