[论文解读] The Swampland Conjectures: A Bridge from Quantum Gravity to Particle Physics

Mariana Graña, Álvaro Herráez|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 140被引用 156

一句话总结

本综述提出，景观猜想——来自量子引力的约束——为量子引力与粒子物理之间架起桥梁，通过限制可行的低能有效场论。它展示了这些猜想，特别是弱引力猜想、距离猜想以及Festina Lente界，如何对中微子质量、希格斯真空期望值、宇宙学常数和光子质量施加定量约束，同时对规范对称性和超对称性进行约束。

ABSTRACT

The swampland is the set of seemingly consistent low-energy effective field theories that cannot be consistently coupled to quantum gravity. In this review we cover some of the conjectural properties that effective theories should possess in order not to fall in the swampland, and we give an overview of their main applications to particle physics. The latter include predictions on neutrino masses, bounds on the cosmological constant, the electroweak and QCD scales, the photon mass, the Higgs potential and some insights about supersymmetry.

研究动机与目标

• 通过景观猜想在量子引力与粒子物理之间建立理论桥梁。
• 研究量子引力约束（如全局对称性的缺失和弱引力猜想）如何对低能粒子物理参数施加非平凡约束。
• 探讨景观猜想对粒子物理未解问题的影响，包括电弱层次问题、中微子质量和宇宙学常数。
• 证明景观约束可缩小有效场论的朴素参数空间，为自然性和微调问题提供新见解。
• 从量子引力出发，提供可实验检验的预测，例如中微子质量上限和希格斯真空期望值上限，这些预测源自宇宙学和引力一致性条件。

提出的方法

• 分析弦理论紧化，推导适用于四维有效场论的景观约束。
• 应用弱引力猜想，约束U(1)规范理论中光子质量和轻态存在的可能性。
• 利用距离猜想及其扩展（反 de Sitter 和费米子距离猜想），预测在大场距离处出现无限轻态塔。
• 应用源自 de Sitter 空间黑洞衰变的 Festina Lente 界，约束希格斯势和电弱能标。
• 结合cobordism猜想与异常消除，推导四维有效场论中规范群的允许秩和结构。
• 利用非超对称 AdS 猜想和精炼的 de Sitter 猜想，约束真空态稳定性，并推导希格斯和中微子质量的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 景观猜想（如弱引力猜想和距离猜想）如何约束希格斯玻色子质量与电弱能标？
• RQ2 非超对称 AdS 猜想与 AdS 距离猜想对中微子质量生成和层次问题有何影响？
• RQ3 Festina Lente 界能否在无需微调的情况下解释宇宙学常数和电弱层次问题的微小性？
• RQ4 景观对规范群和全局对称性的约束如何限制标准模型的可行扩展？
• RQ5 景观猜想在多大程度上统一了粒子物理中看似无关的尺度，如中微子质量和宇宙学常数？

主要发现

• 非超对称 AdS 猜想表明，具有大马约拉纳质量的纯马约拉纳中微子与量子引力不相容，倾向于支持（伪-）狄拉克中微子，其质量上限为 mν ≲ Λ1/4₄ ∼ 10⁻³ eV。
• 将 Festina Lente 界应用于 SM U(1) 规范群，可将普朗克标度与宇宙学常数之间的差异缩小至 Λ₄ ≲ 10⁻⁸⁹M⁴ₚ，且在无极端微调的情况下禁止希格斯势在原点处存在局部最小值。
• 当要求超对称性以稳定低维 AdS 真空时，希格斯真空期望值受到下界约束，v ≳ ΛQCD ∼ 100 MeV。
• 引力费米子距离猜想预测存在一个轻态塔，其尺度为 mtower ≲ 10¹³ GeV，从而在大荒漠场景中排除了低能超对称性。
• 对磁荷弦的弱引力猜想表明，SM 光子必须严格无质量，否则将在低于 10 MeV 的有限紫外截断下被预测为有质量。
• 结合 cobordism 猜想与异常消除，可限制规范群的允许秩和结构，排除某些群，并将秩与时空维度关联。