Swampland Conjectures: A link between particle physics and String Theory

• Autores: Eduardo Gonzalo Badía
• Directores de la Tesis: Luis E. Ibañez Santiago (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2021
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Fernando G. Marchesano Buznego (presid.), Irene Valenzuela (secret.), David Andriot (voc.), Miguel Montero Muñoz (voc.), Eran Palti (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física Teórica por la Universidad Autónoma de Madrid
• Materias:
  • Física
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen

  • Esta tesis explora nuevos puentes entre Teoría de Cuerdas (ST) y física de partículas. El enfoque tradicional en Fenomenología de Teoría de Cuerdas (SP) consiste en intentar construir soluciones que se parezcan lo más posible al Modelo Estándar (SM). La reciente idea de que el Paisaje de posibles soluciones de ST es finito, y que, de hecho, existe una Ciénaga incluso mayor de teorías efectivas a bajas energías aparentemente consistentes (EFTs) que no pueden ser completadas en el ultravioleta (UV) a teorías de Gravedad Cuántica (QG), ha abierta una nueva ventana para SP. Teoría de Cuerdas puede describir nuestro Universo sólo si los datos experimentales y la EFT que lo describe no están en la Ciénaga. Una vez determinamos las fronteras de la Ciénaga, podemos poner cotas en las teorías más allá del Modelo Estándar (BSM) al imponer que no estén en la Ciénaga. De esta forma bastaría con conocer propiedas genéricas de las EFTs a baja energía para obtener implicaciones fenomenológicas.

    En la primera parte de la tesis proponemos una formulación alternativa de la Conjetura de Gravedad Débil, que puede ser fácilmente aplicada a una EFT con campos escalares en interacción. La idea es usar la producción de partículas masivas en el umbral como una condición para comparar la interacción gravitatoria con las interaccione gauge y escalares. Proponemos que el ritmo de producción de pares mediado por gravedad tiene que ser siempre el más débil. Mostramos que esto es equivalente a la condición de que los agujeros negros extremales puedan decaer, en teorías gauge $U(1)^{N}$. Obtenemos una desigualdad que las masas de los campos escalares acoplados a moduli deben satisfacer y explicamos cómo es saturada en ejemplos de estados BPS en compactificationes de teoría de cuerdas Tipo II en un CY. Además, proponemos una desigualdad más especulativa que restringe el potencial de cualquier conjunto de campos escalares.

    En la siguiente parte de la tesis exploramos las restricciones en EFTs en D-dimensiones que surgen de requerir que las compactificaciones en el círculo de la teoría sean consistentes con las conjeturas de la Ciénaga de AdS. Esto pone requerimientos en el espectro físico que garantizan que el potencial asociado a la energía de Casimir no genera vacíos AdS en $(D-1)$ dimensiones, los cuáles podrían violar las conjeturas. Los resultados están basados en la conjetura de que no hay vacíos no-supersimétricos estables y en la Conjetura de la Distancia en AdS (AdC). Proponemos resumir los resultados en un principio más general, la Conjetura de Fermiones de Ligeros. Esta conjetura dice que en una teoría con SUSY rota en la que $\Lambda_D\geq 0$, en la que la primera supertraza no nula $(-1)^{k+1}{\cal S}trM^{2k}$ es positiva, y que es consistente con Gravedad Cuántica , entonces tiene que incorporar un excedente de fermiones ligeros, con masas que verifican $m\lesssim \Lambda_D^{1/D}$.

    A continuación, estudiamos la consistencia de compactificaciones en un círculo, un toro y sus varios orbifolds del SM con respecto a las conjeturas anteriores. La presencia de vacíos AdS en el sector infrarrojo del SM parece indicar que el modelo más sencillo del mecanismo de See-Saw, el cuál busca explicar por qué los neutrinos son tan ligeros, es inconsistente con QG. De hecho, el imponer consistencia con Gravedad Cuántica automáticamente fuerza a que el neutrino más ligero sea (Pseudo) Dirac y más ligero que $\sim 8$ meV, lo cuál está muy cerca de la escala de energías de la constante cosmológica $\Lambda^{1/4}$. También extendemos estudios previos y exploramos los vacíos del SM en escalas más allá del sector IR. Encontramos que, si permitimos que los quarks y los leptones tengan condiciones de contorno distintas (unos periódicas y otros antiperiódicas) entonces el SM estaría en la Ciénaga. Éste y otros vacíos similares pueden ser evitados de forma elegante si el SM está embebido en una teoría supersimétrica a una escala más alta. También estudiamos restricciones en una extensión del SM con un grupo gauge $U(1)_{\text{B-L}}$. Argumentamos que QG podría explicar el problema de la jerarquía EW, puesto que, si el vev del Higgs fuese mayor de lo que es, vacíos AdS peligrosos del SM se generarían. Además, encontramos que la escala EW debe ser más grande que la escala de QCD para evitar la formación de vacíos AdS adicionales.

    En el contexto de la AdC encontramos resultados similares, pero hay una diferencia en las hipótesis necesaria para derivar los resultados. La estabilidad de los vacíos AdS ya no es un requerimiento, pero necesitamos asumir que existe una familia entera de vacíos dónde las masas de los neutrinos pueden cambiar. Este escaneo puede ser, por ejemplo, cambiar el vev del Higgs o el Yukawa de uno de los neutrinos, mientras la constante cosmológica se mantiene constante. En este caso obtenemos cotas en la masa de los neutrinos análogas a las que obtenemos a partir de la conjetura de que no hay vacíos estables AdS no supersimétricos. En particular, obtenemos que el neutrino más ligero tiene que ser (Pseudo) Dirac y más ligero que $\sim 8$ meV. También consideramos escaneos dónde la constante cosmológica cambia. Encontramos que una familia de vacíos en 3d dónde la masa de los neutrinos se vuelve más ligera según la constante cosmológica va a cero, con una dependencia polinómica $\alpha=\frac{1}{4}$, está de acuerdo con las dos conjeturas AdS y con la conjetura de Ciénaga Festina Lente. Esto puede interpretarse como una motivación para explorar la posibilidad de que los neutrinos (dextrógiros) son parte de la torre de la AdC. Como resultado colateral de nuestro análisis encontramos que el SM podría violar la versión fuerte de la AdC en tres dimensiones dado que estos vacíos tienen separación de escalas.

    Finalmente, consideramos la posibilidad de que nuestro Universo deba ser descrito por un campo escalar rodando por un potencial. Mostramos que, en todo modelo viable de SM con un único campo escalar canónica de quintaesencia, dónde la conjetura de dS asintótica se verifica en 4 dimensiones, las correcciones cuánticas la violarían en 3d a menos que los neutrinos tengan suficientes grados de libertad ligeros. De esta forma, recuperamos los resultados previos de que los neutrinos tienen que ser (Pseudo) Dirac y tener masas menores o muy similares a la constante cosmológica.