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 ! ?