FÍSICA FÍSICA DE DE
ALTAS ENERGÍAS ALTAS ENERGÍAS
F. Quevedo, CambridgeGuatemala, USACConverciencia2005
PLANPLAN
Física en 4D Física en 4D
El Paisaje de CuerdasEl Paisaje de Cuerdas
Supersimetría y Dimensiones Extra Supersimetría y Dimensiones Extra
Inflación y CuerdasInflación y Cuerdas
Física en 4DFísica en 4D
Siglo XXSiglo XX
Modelo Estándar de PartículasModelo Estándar de Partículas
Modelo Estándar de CosmologíaModelo Estándar de Cosmología
3+1 Dimensiones3+1 Dimensiones
3+1 Interacciones3+1 Interacciones
3+1 Familias3+1 Familias
Modelo Big-Bang (FRW) +Modelo Big-Bang (FRW) +
Modelo Estándar de PE +Modelo Estándar de PE +
TermodinámicaTermodinámica
El Modelo EstándarEl Modelo Estándar
FONDO DE MICROONDASFONDO DE MICROONDAS
Grandes EnigmasGrandes Enigmas
Gravedad MicroscópicaGravedad Microscópica
Jerarquías : Jerarquías : MMEWEW/M/MPlanckPlanck=10=10-15-15 (Supersimetría?)(Supersimetría?)
Constante CosmólogicaConstante Cosmólogica M MΛΛ/M/MEWEW=10=10-15 -15 (??)(??)
Por Qué? (Por Qué? (3+1 dimensiones, fuerzas, familias; masas, acoplos (20 3+1 dimensiones, fuerzas, familias; masas, acoplos (20 parámetros libresparámetros libres)) ) )
Cosmología : Cosmología : Big-Bang (singularidad)Big-Bang (singularidad) Planitud, Horizonte,… Planitud, Horizonte,… Inflación?Inflación? Energía Obscura (constante cosmologica?)Energía Obscura (constante cosmologica?) Materia ObscuraMateria Obscura BariogénesisBariogénesis……
InflaciInflación Cosmológicaón Cosmológica
Expansión Exponencial ?
EVIDENCIA EVIDENCIA EXPERIMENTALEXPERIMENTAL
Ω = ΩΛ + ΩM + ΩK = 1
Ω = ρ/ρc densidad de energίa relativa
K = -1,0,1 universo abierto, plano, cerrado
ΩΛ ~ 0.7, ΩM~ 0.3, Ωk~ 0
Contenido de EnergContenido de Energíía del Universoa del Universo
El Paisaje de la Teoría El Paisaje de la Teoría de Cuerdasde Cuerdas
TeorTeoría de Cuerdasía de Cuerdas
PartPartículas son cuerdasículas son cuerdas
GravitaciGravitación incluidaón incluida
Unifica todas las partUnifica todas las partículas y ículas y fuerzas (sueño de Einstein)fuerzas (sueño de Einstein)
El Universo es en 10 (11) El Universo es en 10 (11) dimensiones !!!dimensiones !!!
Nuestro universo 10d = 4d+6d Nuestro universo 10d = 4d+6d
(6d muy peque(6d muy pequeñas ?)ñas ?)
Es nuestro Universo una ‘Brana’ ?Es nuestro Universo una ‘Brana’ ?
El Mundo BranaEl Mundo Brana…, ADD, Horava-Witten,…
t=1995-1998t=1995-1998
Dimensiones extra grandes (0.1mm)!Dimensiones extra grandes (0.1mm)!
La Teoría es Única!!La Teoría es Única!!
IIA
IIB
I
Het 2
Het1
11D
M
Pero hay muchas soluciones o vacíosPero hay muchas soluciones o vacíosCada solución un universo diferente!!!Cada solución un universo diferente!!!
Teorías EfectivasTeorías Efectivas
El ProblemaEl Problema
Teoría única pero muchas soluciones (?).Teoría única pero muchas soluciones (?).
Algunas soluciones se parecen al modelo Algunas soluciones se parecen al modelo estándar (supersimétrico (SUSY)).estándar (supersimétrico (SUSY)).
Degeneración: Discreta + Continua (SUSY) .Degeneración: Discreta + Continua (SUSY) .
Problemas principales:Problemas principales:Romper SUSY + Degeneración de vacíos.Romper SUSY + Degeneración de vacíos.
HistoriaHistoria
t<1986 Compactificaciones:t<1986 Compactificaciones: Muchos Muchos parámetros libres o moduli (tamaño y forma de parámetros libres o moduli (tamaño y forma de dimensiones extra).dimensiones extra).
1995<t<2002 Más moduli! 1995<t<2002 Más moduli! (posiciones de (posiciones de D-branas)D-branas)
t>2002 Flujos fijan moduli !t>2002 Flujos fijan moduli !
Dilaton S, Kähler TComplex structure UWilson lines W
Escenario KKLTEscenario KKLT
Cuerdas IIB en Espacio de Calabi-Yau (6d)Cuerdas IIB en Espacio de Calabi-Yau (6d)
FlujosFlujos ∫∫aa FF33 = n = n aa ∫ ∫bb HH33 = m = m bb
SuperpotencialSuperpotencial W =W = ∫ ∫ GG33 ΛΛ ΩΩ, G, G3 3 = = FF3 3 –iS–iS HH33
Potencial:Potencial: V= e V= eKK |D |DaaW|W|22 MínimoMínimo D DaaW = 0 W = 0 Fija los UFija los Uaa y S y S T moduli sin fijar: T moduli sin fijar: No-Scale modelsNo-Scale models
Tamaño de ciclo a = UTamaño de ciclo a = Uaa
GKPGKP
Espacios con gargantas!Espacios con gargantas!
VolumeVolume
Multi-gargantas
Fijando todos los moduli y espacios con gargantas!!!Fijando todos los moduli y espacios con gargantas!!!
KKLT, BKQ, SSKKLT, BKQ, SS
VV
axionaxion volumevolume
Modelos RealistasModelos RealistasCG-MQU, CSUCG-MQU, CSU
Espacio de SolucionesEspacio de Soluciones
Soluciones clásicas
Decaimiento cuántico(efecto túnel)
MultiversoMultiverso
Supersimetría y Supersimetría y Dimensiones ExtraDimensiones Extra
Soluciones al problema de Soluciones al problema de jerarquíasjerarquías
Supersimetría Supersimetría
Principio AntrópicoPrincipio Antrópico
Dimensiones Extra:Dimensiones Extra:
1. Dimensiones exponencialmente grandes1. Dimensiones exponencialmente grandes
2. Gargantas2. Gargantas
SupersimetríaSupersimetría
electrón electrón (s=1/2) (s=1/2) selectrón selectrón (s=0)(s=0)
quark quark (s=1/2)(s=1/2) squark squark (s=0)(s=0)
fotón fotón (s=1)(s=1) fotino fotino (s=1/2) (s=1/2)
W W (s=1)(s=1) Wino Wino (s=1/2) (s=1/2)
Extensión más general de las Extensión más general de las simetrías del espacio-tiempo!!simetrías del espacio-tiempo!!
Presente en cuerdas por consistencia!Presente en cuerdas por consistencia!
Unificación de acoplos!
Implicaciones de SupersimetríaImplicaciones de Supersimetría
Unificación de acoplosUnificación de acoplos
Explicación de materia obscuraExplicación de materia obscura
Posible explicación de bariogénesis (por qué Posible explicación de bariogénesis (por qué estamos aquí?)estamos aquí?)
Neutrinos livianos?...Neutrinos livianos?...
Resuelve problema de jerarquías!!!!Resuelve problema de jerarquías!!!!
Futuro Cercano Futuro Cercano
Super Kamiokande Super Kamiokande
(p -> e+ o)>1033 years
Si se descubre: ILCSi se descubre: ILC(International Linear Collider)(International Linear Collider)
Exponentially Large VolumesExponentially Large Volumes
At least two KAt least two Kähler moduli (hähler moduli (h2121>h>h1111>1)>1)
Perturbative corrections to KPerturbative corrections to K
Example :Example :
Exponentially large !Exponentially large !
BBCQ, CQSBBCQ, CQS
Non SUSY AdSNon SUSY AdS
WW00~1-10~1-10
String scale: MsString scale: Ms22=Mp=Mp22//VV
KKLT AdSKKLT AdS
Non SUSY AdSNon SUSY AdS
WW00~10~10-10-10
WW00<10<10-11-11
Both minima Both minima mergemerge
Soft SUSY BreakingSoft SUSY Breaking
From KKLT not explicit model but interesting general From KKLT not explicit model but interesting general behaviour (D/F term breaking, AMSB, …)behaviour (D/F term breaking, AMSB, …)
From lifting of large volume modelsFrom lifting of large volume models
MsMs~10~101313 GeV Gaugino masses ~ 10 GeV Gaugino masses ~ 1022 GeV, scalars m ~ GeV, scalars m ~ 101077 GeV GeV
Ms=MMs=MGUTGUT viable if warping, viable if warping,
Ms=Tev `viable’ if SM anti D-brane (but 5Ms=Tev `viable’ if SM anti D-brane (but 5thth force and cmp?) force and cmp?)
CFNOP,CJOCFNOP,CJO
CQSCQS
Matter on D3Matter on D3
Three General ScenariosThree General Scenarios
Generalised Fluxed MSSMGeneralised Fluxed MSSM
Intermediate Scale Split SUSYIntermediate Scale Split SUSY
Stringy mSUGRAStringy mSUGRA
SM on D7 brane, 10SM on D7 brane, 101212 Gev<Ms<10 Gev<Ms<101717GevGev
SM on D3 brane, Ms=10SM on D3 brane, Ms=101212GevGev
SM on D3 brane, Ms=10SM on D3 brane, Ms=101717GevGev
Benchmark ModelsBenchmark Models
Fluxed MSSMFluxed MSSM
Split SUSYSplit SUSY
Preguntas AbiertasPreguntas Abiertas
Modelo concreto realista (bottom-up)Modelo concreto realista (bottom-up)
Control de escalas posiblesControl de escalas posibles
Predicciones concretasPredicciones concretas
Constante cosmológica (solo principio Constante cosmológica (solo principio antrópico?)antrópico?)
String Theory and 4D String Theory and 4D InflationInflation
MOTIVATIONMOTIVATION
Inflation: very successful but only Inflation: very successful but only scenarios in search of a theoryscenarios in search of a theory
String theory: fundamental theory but String theory: fundamental theory but lacks experimental tests.lacks experimental tests.
Is it possible to `derive’ inflation from string Is it possible to `derive’ inflation from string theory?theory?
HISTORYHISTORY
t<1986 Calabi-Yau String Compactifications: Many free moduli (size t<1986 Calabi-Yau String Compactifications: Many free moduli (size and shape of extra dimensions) from gand shape of extra dimensions) from gmnmn, B, Bmnmn, , φφ, A, Amm
I,…I,…
1986<t<1991 Geometric moduli: candidate for inflaton fields. But no 1986<t<1991 Geometric moduli: candidate for inflaton fields. But no potentials (potentials (V=0).V=0).
Or V too steep:Or V too steep:
Dilaton S, Kähler TComplex structure UWilson lines W
Candelas et al.Candelas et al.
Binetruy-Gaillard, Banks et alBinetruy-Gaillard, Banks et al
Brustein-SteinhardtBrustein-Steinhardt
InflationInflationNeed to compute scalar potential from String Need to compute scalar potential from String theory satisfying slow-roll conditions:theory satisfying slow-roll conditions:
Number of e-folds N>60
Density perturbations
t=1998 More moduli! : D-brane inflation. But V=0 or non-calculable.t=1998 More moduli! : D-brane inflation. But V=0 or non-calculable.
t=2001 Brane/Antibrane inflation:t=2001 Brane/Antibrane inflation:
Dvali-Tye
Generically no slow roll,
and moduli non fixed,
but…
Burgess et al., Dvali et al
VV
YYtachyontachyon
Tachyon complex topological defects Tachyon complex topological defects D (p-2) branes cosmic strings !D (p-2) branes cosmic strings !
End of inflation: Open string tachyonEnd of inflation: Open string tachyonBMNQRZBMNQRZ
ST, JST, CMPST, JST, CMP
S, BMNQRZS, BMNQRZ
FQ hepth/0210292FQ hepth/0210292
D3 BraneD3 Brane
φφ
φφ inflaton field inflaton field
Brane-Antibrane Inflation and Brane-Antibrane Inflation and Moduli StabilisationModuli Stabilisation
KKLMMT, HKP, KTW, KKLMMT, HKP, KTW, FT, BCSQ, …FT, BCSQ, …
Slow-roll (large field) inflation possible.Slow-roll (large field) inflation possible.
Need 1/1000 fine tuning of parameters to Need 1/1000 fine tuning of parameters to
get 60-efoldings (get 60-efoldings (ηη-problem)-problem)
NN~60, ~60, δδHH~10~10-5-5 for for
Ms~ 10Ms~ 101515 GeV GeV
nnss~1.05~1.05 BCSQBCSQ
Tachyonic InflationTachyonic Inflation
A,B depend on warping (fluxes) and E&M fields on non-A,B depend on warping (fluxes) and E&M fields on non-BPS brane. If A,BBPS brane. If A,B~1 no slow-roll~1 no slow-roll
AB large slow-rollAB large slow-roll
No fine-tuning! But need large fluxesNo fine-tuning! But need large fluxes
Sen, Raeymakers, Cremades-Sinha-FQSen, Raeymakers, Cremades-Sinha-FQ
Racetrack InflationRacetrack Inflation
Topological eternal inflation !Topological eternal inflation !
Slow roll if 1/1000 fine tuning, Slow roll if 1/1000 fine tuning,
NN~60, ~60, δδHH~10~10-5 -5 for Ms~10for Ms~1015 15 GeVGeV
nnss ~ 0.95~ 0.95
Blanco-Pillado et al.Blanco-Pillado et al.
Also for W0=0 if add matter Lalak, Ross, SarkarLalak, Ross, Sarkar
Racetrack InflationRacetrack Inflation
KKähler Moduli Inflationähler Moduli Inflation
Any Calabi-Yau:
h2121>>h1111>2
volume τn
V
Conlon-FQConlon-FQ
Large field inflation
No fine-tuning!!
0.960<n<0.967
CONCLUSIONSCONCLUSIONS
Exciting times!!!Exciting times!!!
Warping and large extra dimensionsWarping and large extra dimensions..
Soft terms calculable for first time rich Soft terms calculable for first time rich phenomenologyphenomenology
Concrete models of inflationConcrete models of inflation
Simple principles, complicated solutions, Simple principles, complicated solutions, but SM is also ugly!but SM is also ugly!
Many open questionsMany open questions (A fully realistic model?)(A fully realistic model?)
(String Vacuum Project (SVP)?)(String Vacuum Project (SVP)?)
INITIAL CONDITIONSINITIAL CONDITIONS
Sen’s open string Sen’s open string completeness completeness conjectureconjecture
t -tt -t
Pre big-bang ! ?Pre big-bang ! ?
Inflation and compactification or big-crunch/bangInflation and compactification or big-crunch/bang
and decompactification ! ?and decompactification ! ?