[论文解读] Superradiance Exclusions in the Landscape of Type IIB String Theory

Viraf M. Mehta, Mehmet Demirtaş+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2020

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 2被引用 5

一句话总结

该论文利用黑洞自发放射性约束了在卡拉比-丘三复叠上进行的IIb型弦理论紧化情形的景观，计算了超过20万个几何结构中的轴子质量与衰变常数。研究发现，在凯勒锥顶点处约50%的流形因自发放射性被排除，而在更高霍奇数时排除率下降至接近零，这是由于自相互作用抑制了不稳定性。

ABSTRACT

We obtain constraints from black hole superradiance in an ensemble of compactifications of type IIB string theory. The constraints require knowing only the axion masses and self-interactions, and are insensitive to the cosmological model. We study more than $2 \cdot 10^5$ Calabi-Yau manifolds with Hodge numbers $1\leq h^{1,1}\leq 491$ and compute the axion spectrum at two reference points in moduli space for each geometry. Our computation of the classical theory is explicit, while for the instanton-generated axion potential we use a conservative model. The measured properties of astrophysical black holes exclude parts of our dataset. At the point in moduli space corresponding to the tip of the stretched Kähler cone, we exclude $\approx 50\%$ of manifolds in our sample at 95% C.L., while further inside the Kähler cone, at an extremal point for realising the Standard Model, we exclude a maximum of $\approx 7\%$ of manifolds at $h^{1,1}=11$, falling to nearly zero by $h^{1,1}=100$.

研究动机与目标

• 利用与模型无关的天体物理学约束（来自黑洞自发放射性）测试弦理论景观。
• 在包含h^{1,1} ≤ 491的大量卡拉比-丘三复叠中计算轴子谱——质量与衰变常数。
• 确定自发放射性约束如何依赖于模空间位置，特别是凯勒锥顶点与锥内部。
• 评估轴子自相互作用在削弱或抑制自发放射不稳定性方面的作用。
• 为弦理论紧化中的轴子宇宙提供一个统计上稳健、与宇宙学无关的检验。

提出的方法

• 使用克鲁泽-斯卡尔克数据库中的473,800,776个反射多面体，采样了超过2×10^5个霍奇数满足1 ≤ h^{1,1} ≤ 491的卡拉比-丘三复叠。
• 通过十维C4形式的维度约化计算轴子质量与衰变常数，使用凯勒模τ^i和凯勒度量K_ij。
• 利用素数塔希除子作为瞬子源，建模瞬子生成的轴子势，其中Λ_a和Q^a_i由拓扑数据和τ^i的真空期望值计算得出。
• 假设δ^a → 0（相位情形），当显著瞬子数量≤ h^{1,1}时成立，完整处理见附带工作。
• 在模空间中两个点评估自发放射性边界：拉伸凯勒锥的顶点和用于实现标准模型的内部极值点。
• 应用玻森诺瓦判据评估自相互作用是否抑制自发放射不稳定性，使用微扰衰变常数f_pert。

实验结果

研究问题

• RQ1 在IIb型弦理论景观中，有多少比例的卡拉比-丘紧化被黑洞自发放射性约束所排除？
• RQ2 在模空间的不同位置，自发放射性排除率如何随霍奇数h^{1,1}变化？
• RQ3 轴子自相互作用在多大程度上抑制了自发放射不稳定性，特别是在h^{1,1}较大时？
• RQ4 结果对轴子势中瞬子电荷和相位的假设有多敏感？
• RQ5 自发放射性能否通过轴子谱为弦理论景观提供一个与宇宙学无关的检验？

主要发现

• 在拉伸凯勒锥顶点处，约50%的卡拉比-丘三复叠在95%置信水平下被自发放射性约束所排除。
• 排除率在h^{1,1} ≈ 157处达到峰值，随后下降，这是由于微扰衰变常数f_pert减小，增强了自相互作用并抑制了自发放射性。
• 当h^{1,1} ≳ 350时，自发放射性排除率下降至接近零，因为自相互作用完全抑制了玻森诺瓦不稳定性。
• 在凯勒锥内部，于实现标准模型的极值点处，排除率在h^{1,1} = 11时达到约7%，并在h^{1,1} = 100时下降至接近零。
• 结果对采样方法、凯勒锥扩展、非全纯瞬子圈或随机CP相位的包含均保持稳健。
• 在h^{1,1}较大时，轴子-光子耦合可能带来额外的天体物理学观测约束，提示了进一步检验景观的途径。