stringtranslate.com

Супергравитация

В теоретической физике супергравитация ( теория супергравитации ; сокращенно СУГРА ) — современная теория поля , сочетающая в себе принципы суперсимметрии и общей теории относительности ; это контрастирует с негравитационными суперсимметричными теориями, такими как минимальная суперсимметричная стандартная модель . Супергравитация — это калибровочная теория локальной суперсимметрии. Поскольку генераторы суперсимметрии (SUSY) образуют вместе с алгеброй Пуанкаре супералгебру , называемую супералгеброй Пуанкаре , суперсимметрия как калибровочная теория заставляет гравитацию возникать естественным путем. [1]

Гравитоны

Как и все ковариантные подходы к квантовой гравитации, [2] супергравитация содержит поле со спином 2, квантом которого является гравитон . Суперсимметрия требует, чтобы у гравитонного поля был суперпартнер . Это поле имеет спин 3/2 и его квант — гравитино . Число полей гравитино равно числу суперсимметрий.

История

Калибровочная суперсимметрия

Первая теория локальной суперсимметрии была предложена Диком Арновиттом и Праном Натом в 1975 году [3] и получила название калибровочной суперсимметрии .

Супергравитация

Первая модель 4-мерной супергравитации (без этого обозначения) была сформулирована Дмитрием Васильевичем Волковым и Вячеславом Сорокой в ​​1973 году [4], подчеркивая важность спонтанного нарушения суперсимметрии для возможности создания реалистичной модели. Минимальная версия 4-мерной супергравитации (с ненарушенной локальной суперсимметрией) была подробно построена в 1976 году Дэном Фридманом , Серджио Феррарой и Питером ван Ньювенхейзеном . [5] В 2019 году за это открытие все трое были удостоены специальной премии за прорыв в области фундаментальной физики . [6] Ключевой вопрос о том, является ли поле со спином 3/2 последовательно связанным, был решен в почти одновременной статье Дезера и Зумино [ 7] , которые независимо предложили минимальную 4-мерную модель. Она была быстро обобщена на множество различных теорий с разным числом измерений и с использованием дополнительных (N) суперсимметрий. Теории супергравитации с N>1 обычно называют расширенной супергравитацией (SUEGRA). Было показано, что некоторые теории супергравитации связаны с некоторыми теориями супергравитации более высоких измерений посредством уменьшения размерностей (например, N = 1, 11-мерная супергравитация уменьшена по размерности на T 7 до 4-мерной, некалиброванной, N = 8 супергравитации). Полученные теории иногда назывались теориями Калуцы-Клейна , поскольку Калуца ​​и Кляйн построили в 1919 году 5-мерную гравитационную теорию, в которой при уменьшении размеров на круге ее 4-мерные немассивные моды описывают электромагнетизм , связанный с гравитацией .

мСУГРА

mSUGRA означает минимальную СУПЕРГРАТИВНОСТЬ. Построение реалистичной модели взаимодействия частиц в рамках супергравитации N = 1, где суперсимметрия (SUSY) нарушается с помощью механизма супер Хиггса , осуществленное Али Чамседином , Ричардом Арновиттом и Праном Натхом в 1982 году. Все вместе теперь известно как теории Великого объединения минимальной супергравитации. (mSUGRA GUT), гравитация опосредует нарушение SUSY посредством существования скрытого сектора . mSUGRA естественным образом генерирует условия нарушения мягкой SUSY, которые являются следствием эффекта Супер Хиггса. Непосредственным следствием этого является радиационное нарушение электрослабой симметрии посредством уравнений ренормгруппы (RGE). Из-за своей предсказательной способности, требующей всего четырех входных параметров и знака для определения феноменологии низкой энергии в масштабе Великого Объединения, ее интерес представляет широко исследуемая модель физики элементарных частиц .

11D: максимальная СУГРА

Одна из этих супергравитаций, 11-мерная теория, вызвала значительный ажиотаж как первый потенциальный кандидат на теорию всего . Это волнение было построено на четырех столпах, два из которых сейчас в значительной степени дискредитированы:

Наконец, первые два результата, казалось, устанавливали по 11 измерений, третий результат, по-видимому, уточнял теорию, а последний результат объяснял, почему наблюдаемая Вселенная кажется четырехмерной.

Многие детали теории были конкретизированы Питером ван Ньювенхейзеном , Серджио Феррарой и Дэниелом З. Фридманом .

Конец эпохи СУГРЫ

Первоначальный ажиотаж по поводу 11-мерной супергравитации вскоре утих, поскольку были обнаружены различные неисправности, а попытки починить модель также потерпели неудачу. Проблемы включали: [ нужна ссылка ]

Некоторых из этих трудностей можно было бы избежать, перейдя к 10-мерной теории, включающей суперструны . Однако, переходя к 10-мерности, теряется ощущение единственности 11-мерной теории. [12]

Ключевым прорывом в 10-мерной теории, известным как первая суперструнная революция , стала демонстрация Майклом Б. Грином , Джоном Х. Шварцем и Дэвидом Гроссом того, что существуют только три модели супергравитации в 10 измерениях, которые обладают калибровочной симметрией и в которых все калибровочные и гравитационные аномалии компенсируются. Это были теории, построенные на группах SO(32) и , прямом произведении двух копий E 8 . Сегодня мы знаем, что, например, используя D-браны , калибровочные симметрии можно ввести и в другие 10-мерные теории. [13]

Вторая суперструнная революция

Первоначальный ажиотаж по поводу 10-мерных теорий и теорий струн, обеспечивающих их квантовое завершение, утих к концу 1980-х годов. Калаби-Яу было слишком много , чтобы их можно было компактировать, гораздо больше, чем предполагал Яу , как он признал в декабре 2005 года на 23-й Международной Сольвеевской конференции по физике . Ни один из них не соответствовал стандартной модели, но казалось, что, приложив достаточно усилий, можно было приблизиться к ней разными способами. Плюс никто не понимал эту теорию за пределами режима применимости теории струнных возмущений .

В начале 1990-х годов был сравнительно спокойный период; однако было разработано несколько важных инструментов. Например, стало очевидно, что различные теории суперструн связаны между собой « дуальностью струн », некоторые из которых связывают физику слабой связи струн (пертурбативную) в одной модели с сильной связью струн (непертурбативной) в другой.

Затем произошла вторая суперструнная революция . Джозеф Полчински понял, что малоизвестные объекты теории струн, называемые D-бранами , которые он открыл шестью годами ранее, соответствуют струнным версиям p -бран, известных в теориях супергравитации. Пертурбации теории струн не ограничивали эти p-браны . Благодаря суперсимметрии p-браны в супергравитации получили понимание, выходящее далеко за пределы теории струн.

Вооружившись этим новым непертурбативным инструментом, Эдвард Виттен и многие другие смогли показать все пертурбативные теории струн как описания различных состояний в единой теории, которую Виттен назвал М-теорией . Более того, он утверждал, что предел длинноволновой теории М-теории , то есть когда квантовая длина волны, связанная с объектами в теории, оказывается намного больше, чем размер 11-го измерения, требует 11-мерных дескрипторов супергравитации, которые вышли из моды с первой суперструнной революцией. 10 лет назад в сопровождении 2- и 5-бран.

Таким образом, супергравитация проходит полный круг и использует общую структуру для понимания особенностей теорий струн, М-теории и их компактификаций для уменьшения измерений пространства-времени.

Связь с суперструнами

Термин «низкие энергетические пределы» обозначает некоторые теории 10-мерной супергравитации. Они возникают как безмассовая древесная аппроксимация теорий струн. Истинно эффективные теории поля или теории струн, а не усечения, доступны редко. Из-за струнной дуальности предполагаемая 11-мерная М-теория должна иметь 11-мерную супергравитацию как «низкий энергетический предел». Однако это не обязательно означает, что теория струн/М-теория является единственным возможным УФ-дополнением супергравитации; [ нужна цитация ] исследования супергравитации полезны независимо от этих отношений.

4D N = 1 СУГРА

Прежде чем мы перейдем к собственно СУГРЕ, давайте резюмируем некоторые важные детали общей теории относительности. У нас есть 4D-дифференцируемое многообразие M с главным расслоением Spin(3,1) над ним. Это главное расслоение представляет собой локальную симметрию Лоренца. Кроме того, у нас есть векторное расслоение T над многообразием, слой которого имеет четыре вещественных измерения и преобразуется как вектор под действием Spin(3,1). У нас есть обратимое линейное отображение касательного расслоения TM [ которое? ] к Т. Эта карта — vierbein . С локальной симметрией Лоренца связана калибровочная связь — спиновая связь .

Следующее обсуждение будет проводиться в нотации суперпространства, в отличие от нотации компонента, которая не является явно ковариантной относительно SUSY. На самом деле существует множество различных версий SUGRA, которые неэквивалентны в том смысле, что их действия и ограничения на тензор кручения различны, но в конечном итоге эквивалентны в том смысле, что мы всегда можем выполнить переопределение поля суперфербейнов и спиновой связи, чтобы получить из одного версию на другую.

В 4D N=1 SUGRA мы имеем 4|4 вещественное дифференцируемое супермногообразие M, т.е. у нас есть 4 реальных бозонных измерения и 4 реальных фермионных измерения. Как и в несуперсимметричном случае, у нас есть главное расслоение Spin(3,1) над M. Мы имеем векторное расслоение T R 4|4 над M. Слой T преобразуется под действием локальной группы Лоренца следующим образом; четыре действительных бозонных измерения преобразуются в вектор, а четыре действительных фермионных измерения преобразуются в майорановский спинор . Этот майорановский спинор может быть перевыражен как комплексный левый спинор Вейля и его комплексно-сопряженный правый спинор Вейля (они не независимы друг от друга). У нас также есть спиновое соединение, как и раньше.

Мы будем использовать следующие соглашения; пространственные (как бозонные, так и фермионные) индексы будут обозначаться M, N, ... . Бозонные пространственные индексы будут обозначаться µ, ν, ..., левые пространственные индексы Вейля - α, β,..., а правые пространственные индексы Вейля - , , ... . Индексы слоя T будут иметь аналогичные обозначения, за исключением того, что они будут обозначены следующим образом: . Более подробную информацию см. в обозначениях Ван дер Вардена . . Супербейн обозначается , а спиновая связь – . Обратный supervierbein обозначается .

Супербейн и спиновая связь реальны в том смысле, что они удовлетворяют условиям реальности.

где , , и и .

Ковариантная производная определяется как

.

Ковариантная внешняя производная , определенная на супермногообразиях, должна быть суперградуированной. Это означает, что каждый раз, когда мы меняем местами два фермионных индекса, мы получаем коэффициент знака +1 вместо -1.

Наличие или отсутствие R-симметрии не является обязательным, но если R-симметрия существует, подынтегральное выражение в полном суперпространстве должно иметь R-заряд, равное 0, а подынтегральное выражение в киральном суперпространстве должно иметь R-заряд, равное 2.

Киральное суперполе X — это суперполе, удовлетворяющее условию . Чтобы это ограничение было непротиворечивым, нам нужны условия интегрируемости, которые для некоторых коэффициентов c .

В отличие от неСУСИ ОТО, кручение должно быть отличным от нуля, по крайней мере, относительно фермионных направлений. Уже даже в плоском суперпространстве . В одной версии SUGRA (но, конечно, не единственной) у нас есть следующие ограничения на тензор кручения:

Здесь это сокращенное обозначение, означающее, что индекс пробегает либо левый, либо правый спинор Вейля.

Супердетерминант supervierbein дает нам коэффициент объема для M. Эквивалентно , мы имеем объем 4|4-superform .

Если мы комплексифицируем супердиффеоморфизмы, то существует калибровка, где , и . Полученное киральное суперпространство имеет координаты x и Θ.

R — скалярнозначное киральное суперполе, получаемое из суперобъектов и спиновой связи. Если f — любое суперполе, оно всегда является киральным суперполем.

Действие теории SUGRA с киральными суперполями X определяется выражением

где Kпотенциал Кэлера , W — суперпотенциал , а — киральный объемный фактор.

В отличие от случая с плоским суперпространством, добавление константы либо к Кэлеру, либо к суперпотенциалу теперь является физическим. Постоянный сдвиг к потенциалу Кэлера изменяет эффективную постоянную Планка , а постоянный сдвиг к суперпотенциалу изменяет эффективную космологическую постоянную . Поскольку эффективная константа Планка теперь зависит от значения кирального суперполя X , нам необходимо изменить масштаб суперфербейнов (переопределение поля), чтобы получить постоянную константу Планка. Это называется рамкой Эйнштейна .

N = 8 супергравитация в 4-х измерениях

Супергравитация с N = 8 — наиболее симметричная квантовая теория поля, в которой участвуют гравитация и конечное число полей. Его можно найти путем уменьшения размеров 11D супергравитации, обратив размер 7 измерений к нулю. Он имеет 8 суперсимметрий, а это максимум, который может иметь любая теория гравитации, поскольку между спином 2 и спином −2 существует 8 полушагов. (Гравитон имеет самый высокий спин в этой теории, то есть является частицей со спином 2.) Больше суперсимметрии означало бы, что у частиц будут суперпартнеры со спином выше 2. Единственные теории со спином выше 2, которые являются непротиворечивыми, включают бесконечное число частиц. (например, теория струн и теории более высокого спина). Стивен Хокинг в своей «Краткой истории времени» предположил, что эта теория может быть Теорией всего . Однако в последующие годы от этого отказались в пользу теории струн. В 21 веке возобновился интерес к возможности того, что эта теория может быть конечной.

СУГРА более высокого измерения

Многомерная SUGRA — это многомерное суперсимметричное обобщение общей теории относительности. Супергравитация может быть сформулирована в любом количестве измерений, вплоть до одиннадцати. SUGRA более высокого измерения фокусируется на супергравитации в более чем четырех измерениях.

Количество суперзарядов в спиноре зависит от размерности и подписи пространства-времени. Сверхзаряды возникают в спинорах. Таким образом, ограничение на количество суперзарядов не может быть удовлетворено в пространстве-времени произвольной размерности. Некоторые теоретические примеры, в которых это выполняется:

Теории супергравитации, вызвавшие наибольший интерес, не содержат спинов выше двух. Это означает, в частности, что они не содержат полей, преобразующихся при преобразованиях Лоренца в симметричные тензоры ранга выше двух. Однако в настоящее время непротиворечивость взаимодействующих теорий поля с более высокими спинами представляет собой область очень активного интереса.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Ван Ньювенхейзен, П. (1981). «Супергравитация». Отчеты по физике . 68 (4): 189–398. Бибкод : 1981PhR....68..189В. дои : 10.1016/0370-1573(81)90157-5.
  2. ^ Ровелли, Карло (2000). «Заметки к краткой истории квантовой гравитации». arXiv : gr-qc/0006061 .
  3. ^ Нат, П.; Арновитт, Р. (1975). «Обобщенная суперкалибровочная симметрия как новая основа для унифицированных калибровочных теорий». Буквы по физике Б. 56 (2): 177. Бибкод : 1975PhLB...56..177N. дои : 10.1016/0370-2693(75)90297-x.
  4. ^ Волков, Д.В.; Сорока, Вирджиния (1973). «Эффект Хиггса для частиц Голдстоуна со спином 1/2». Письма ЖЭТФ . 16 (11): 438–440. Бибкод : 1973JETPL..18..312В. дои : 10.1007/BFb0105271.
  5. ^ Фридман, ДЗ; ван Ньювенхейзен, П.; Феррара, С. (1976). «Прогресс к теории супергравитации». Физический обзор D . 13 (12): 3214–3218. Бибкод : 1976PhRvD..13.3214F. doi : 10.1103/physrevd.13.3214.
  6. ^ "Ученые, занимающиеся супергравитацией, разделяют премию США за прорыв в размере 3 миллионов долларов" . Новости ЦБК .
  7. ^ Дезер, С.; Зумино, Б. (1976). «Постоянная супергравитация». Буквы по физике Б. 62 (3): 335–337. Бибкод : 1976PhLB...62..335D. дои : 10.1016/0370-2693(76)90089-7.
  8. ^ Нам, Вернер (1978). «Суперсимметрии и их представления». Ядерная физика Б . 135 (1): 149–166. Бибкод : 1978NuPhB.135..149N. дои : 10.1016/0550-3213(78)90218-3.
  9. ^ Виттен, Эд (1981). «Поиск реалистичной теории Калуцы-Клейна». Ядерная физика Б . 186 (3): 412–428. Бибкод : 1981NuPhB.186..412W. дои : 10.1016/0550-3213(81)90021-3.
  10. ^ Э. Креммер, Б. Джулия и Дж. Шерк, «Теория супергравитации в одиннадцати измерениях», Physics Letters B76 (1978), стр. 409-412,
  11. ^ Питер Г.О. Фрейнд; Марк А. Рубин (1980). «Динамика размерного уменьшения». Буквы по физике Б. 97 (2): 233–235. Бибкод : 1980PhLB...97..233F. дои : 10.1016/0370-2693(80)90590-0.
  12. ^ Дафф, MJ (1998). «Путеводитель по М-теории для непрофессионалов». arXiv : hep-th/9805177 .
  13. ^ Блюменхаген, Р.; Цветич, М. ; Лангакер, П.; Шиу, Г. (2005). «На пути к реалистичным пересекающимся моделям D-бран». Ежегодный обзор ядерной науки и науки о элементарных частицах . 55 (1): 71–139. arXiv : hep-th/0502005 . Бибкод : 2005ARNPS..55...71B. дои : 10.1146/annurev.nucl.55.090704.151541 . S2CID  15148429.

Рекомендации

Исторический

Общий

дальнейшее чтение

Внешние ссылки