Supergravidade - Supergravity

Na física teórica , a supergravidade ( teoria da supergravidade ; SUGRA, para abreviar) é uma teoria de campo moderna que combina os princípios da supersimetria e da relatividade geral ; isso está em contraste com as teorias supersimétricas não gravitacionais, como o Modelo Padrão Supersimétrico Mínimo . Supergravidade é a teoria de calibre da supersimetria local. Uma vez que os geradores de supersimetria (SUSY) formam junto com a álgebra de Poincaré uma superálgebra , chamada de álgebra super-Poincaré , a supersimetria como teoria de calibre faz a gravidade surgir de forma natural.

Gravitons

Como qualquer teoria de campo da gravidade , uma teoria da supergravidade contém um campo de spin 2 cujo quantum é o gráviton . A supersimetria requer que o campo gravitacional tenha um superparceiro . Este campo tem spin 3/2 e seu quantum é o gravitino . O número de campos gravitinos é igual ao número de supersimetrias .

História

Supersimetria de calibre

A primeira teoria da supersimetria local foi proposta por Dick Arnowitt e Pran Nath em 1975 e foi chamada de supersimetria de calibre .

Supergravidade

O primeiro modelo de supergravidade 4-dimensional (sem esta denotação) foi formulado por Dmitri Vasilievich Volkov e Vyacheslav A. Soroka em 1973, enfatizando a importância da quebra espontânea da supersimetria para a possibilidade de um modelo realista. A versão mínima da supergravidade quadridimensional (com supersimetria local ininterrupta) foi construída em detalhes em 1976 por Dan Freedman , Sergio Ferrara e Peter van Nieuwenhuizen . Em 2019, os três receberam um Prêmio Revelação especial em Física Fundamental pela descoberta. A questão chave de se o campo de spin 3/2 está consistentemente acoplado foi resolvida no artigo quase simultâneo, por Deser e Zumino , que propôs independentemente o modelo 4-dimensional mínimo. Foi rapidamente generalizado para muitas teorias diferentes em vários números de dimensões e envolvendo supersimetrias adicionais (N). As teorias da supergravidade com N> 1 são geralmente chamadas de supergravidade estendida (SUEGRA). Foi demonstrado que algumas teorias de supergravidade estão relacionadas a certas teorias de supergravidade de dimensão superior via redução dimensional (por exemplo, N = 1, a supergravidade de 11 dimensões é dimensionalmente reduzida em T 7 a 4 dimensões, não avaliada, N = 8 Supergravidade). As teorias resultantes eram às vezes chamadas de teorias de Kaluza-Klein, já que Kaluza e Klein construíram em 1919 uma teoria gravitacional 5-dimensional, que quando reduzida dimensionalmente em um círculo, seus modos não massivos 4-dimensionais descrevem o eletromagnetismo acoplado à gravidade .

mSUGRA

mSUGRA significa mínima SUper GRAvity. A construção de um modelo realista de interações de partículas dentro da estrutura de supergravidade N = 1, onde a supersimetria (SUSY) é quebrada por um mecanismo de super Higgs realizado por Ali Chamseddine , Richard Arnowitt e Pran Nath em 1982. Coletivamente agora conhecidas como Teorias da Grande Unificação da supergravidade mínima (mSUGRA GUT), a gravidade medeia a quebra do SUSY por meio da existência de um setor oculto . mSUGRA gera naturalmente os termos de interrupção Soft SUSY que são uma consequência do efeito Super Higgs. A quebra radiativa da simetria eletrofraca por meio de Equações de Grupo de Renormalização (RGEs) segue como uma consequência imediata. Devido ao seu poder preditivo, exigindo apenas quatro parâmetros de entrada e um sinal para determinar a fenomenologia de baixa energia da escala da Grande Unificação, seu interesse é um modelo amplamente investigado da física de partículas.

11D: o SUGRA máximo

Uma dessas supergravidades, a teoria 11-dimensional, gerou considerável entusiasmo como o primeiro candidato potencial para a teoria de tudo . Essa empolgação foi construída sobre quatro pilares, dois dos quais já foram amplamente desacreditados:

  • Em 1980, Peter Freund e MA Rubin mostraram que a compactação de 11 dimensões preservando todos os geradores SUSY poderia ocorrer de duas maneiras, deixando apenas 4 ou 7 dimensões macroscópicas, as demais compactas. As dimensões não compactas devem formar um espaço anti-de Sitter . Existem muitas compactificações possíveis, mas a invariância da compactação de Freund-Rubin sob todas as transformações de supersimetria preserva a ação.

Finalmente, os dois primeiros resultados pareceram estabelecer, cada um, 11 dimensões, o terceiro resultado pareceu especificar a teoria e o último resultado explicou por que o universo observado parece ser quadridimensional.

Muitos dos detalhes da teoria foram desenvolvidos por Peter van Nieuwenhuizen , Sergio Ferrara e Daniel Z. Freedman .

O fim da era SUGRA

A empolgação inicial com a supergravidade 11-dimensional logo diminuiu, à medida que várias falhas foram descobertas e as tentativas de consertar o modelo também falharam. Problemas incluídos:

  • As variedades compactas conhecidas na época e que continham o modelo padrão não eram compatíveis com a supersimetria e não podiam conter quarks ou léptons . Uma sugestão foi substituir as dimensões compactas pela 7-esfera, com o grupo de simetria SO (8) , ou a 7-esfera comprimida, com o grupo de simetria SO (5) vezes SU (2) .
  • Até recentemente, acreditava-se que os neutrinos físicos vistos em experimentos não tinham massa e pareciam ser canhotos, um fenômeno conhecido como quiralidade do modelo padrão. Foi muito difícil construir um férmion quiral a partir de uma compactificação - a variedade compactada precisava ter singularidades, mas a física perto das singularidades não começou a ser entendida até o advento das teorias de campo conformadas orbifold no final dos anos 1980.
  • Modelos de supergravidade resultam genericamente em uma constante cosmológica irrealisticamente grande em quatro dimensões, e essa constante é difícil de remover e, portanto, requer um ajuste fino . Isso ainda é um problema hoje.
  • A quantização da teoria levou a anomalias de calibre da teoria quântica de campo, tornando a teoria inconsistente. Nos anos que se seguiram, os físicos aprenderam como cancelar essas anomalias.

Algumas dessas dificuldades poderiam ser evitadas mudando-se para uma teoria de dez dimensões envolvendo supercordas . No entanto, ao mover para 10 dimensões, perde-se o senso de exclusividade da teoria 11-dimensional.

A principal descoberta da teoria de 10 dimensões, conhecida como a primeira revolução das supercordas , foi uma demonstração de Michael B. Green , John H. Schwarz e David Gross de que existem apenas três modelos de supergravidade em 10 dimensões que têm simetrias de calibre e nos quais todas as anomalias de calibre e gravitacionais se cancelam. Essas foram teorias construídas nos grupos SO (32) e , o produto direto de duas cópias de E 8 . Hoje sabemos que, usando D-branas, por exemplo, simetrias de calibre podem ser introduzidas em outras teorias de 10 dimensões também.

A segunda revolução das supercordas

A empolgação inicial com as teorias de dez dimensões e as teorias das cordas que fornecem sua conclusão quântica morreu no final da década de 1980. Havia muitos Calabi-Yaus para compactar , muitos mais do que Yau havia estimado, como ele admitiu em dezembro de 2005 na 23ª Conferência Internacional Solvay em Física . Nenhum deu o modelo padrão, mas parecia que se poderia chegar perto com esforço suficiente de muitas maneiras distintas. Além disso, ninguém entendeu a teoria além do regime de aplicabilidade da teoria de perturbação das cordas .

Houve um período relativamente calmo no início da década de 1990; no entanto, várias ferramentas importantes foram desenvolvidas. Por exemplo, tornou-se aparente que as várias teorias de supercordas eram relacionadas por " dualidades de cordas ", algumas das quais relacionam o acoplamento de cordas fraco - perturbativo - física em um modelo com forte acoplamento de cordas - não perturbativo - em outro.

Então ocorreu a segunda revolução das supercordas . Joseph Polchinski percebeu que os objetos obscuros da teoria das cordas, chamados D-branas , que ele descobriu seis anos antes, equivalem a versões fibrosas das p-branas conhecidas nas teorias da supergravidade. A perturbação da teoria das cordas não restringiu essas p-branas . Graças à supersimetria , as p-branas na supergravidade ganharam compreensão muito além dos limites da teoria das cordas.

Armado com essa nova ferramenta não perturbativa , Edward Witten e muitos outros puderam mostrar todas as teorias perturbativas das cordas como descrições de diferentes estados em uma única teoria que Witten chamou de teoria-M . Além disso, ele argumentou que o longo limite de comprimento de onda da teoria M , ou seja, quando o comprimento de onda quântico associado a objetos na teoria parece muito maior do que o tamanho da 11ª dimensão, precisa de descritores de supergravidade 11-dimensionais que caíram em desuso com a primeira revolução da supercorda 10 anos antes, acompanhada pelas 2 e 5-branas.

Portanto, a supergravidade fecha o círculo e usa uma estrutura comum para compreender as características das teorias das cordas, a teoria M e suas compactações para dimensões menores do espaço-tempo.

Relação com supercordas

O termo "limites de baixa energia" rotula algumas teorias de supergravidade em 10 dimensões. Elas surgem como a aproximação sem massa e no nível de árvore das teorias das cordas. Teorias de campo verdadeiramente eficazes das teorias das cordas, em vez de truncamentos, raramente estão disponíveis. Devido às dualidades das cordas, é necessário que a teoria M 11-dimensional conjecturada tenha a supergravidade 11-dimensional como um "limite de baixa energia". No entanto, isso não significa necessariamente que a teoria das cordas / teoria M seja a única conclusão UV possível da supergravidade; a pesquisa de supergravidade é útil independentemente dessas relações.

4D N = 1 SUGRA

Antes de passarmos para o SUGRA propriamente dito, vamos recapitular alguns detalhes importantes sobre a relatividade geral . Temos uma variedade 4D diferenciável M com um pacote principal de Spin (3,1) sobre ela. Este pacote principal representa a simetria de Lorentz local. Além disso, temos um feixe vetorial T sobre a variedade com a fibra tendo quatro dimensões reais e se transformando como um vetor sob Spin (3,1). Temos um mapa linear invertível do feixe tangente TM a T. Este mapa é o vierbein . A simetria de Lorentz local tem uma conexão de calibre associada a ela, a conexão de spin .

A discussão a seguir será em notação de superespaço, em oposição à notação de componente, que não é manifestamente covariante em SUSY. Na verdade, existem muitas versões diferentes de SUGRA por aí que são inequivalentes no sentido de que suas ações e restrições sobre o tensor de torção são diferentes, mas, em última análise, equivalentes porque podemos sempre realizar uma redefinição de campo do supervierbeins e conexão de giro para obter de um versão para outra.

Em 4D N = 1 SUGRA, temos uma supervariedade M 4 | 4 reais diferenciáveis, ou seja, temos 4 dimensões bosônicas reais e 4 dimensões fermiônicas reais. Como no caso não supersimétrico, temos um feixe principal de Spin (3,1) sobre M. Temos um feixe vetorial R 4 | 4 T sobre M. A fibra de T se transforma sob o grupo local de Lorentz como segue; as quatro dimensões reais bosônicas se transformam em um vetor e as quatro dimensões fermiônicas reais se transformam em um espinor Majorana . Este spinor Majorana pode ser reexpressas como um complexo Weyl canhoto spinor e seu conjugado complexo destro Weyl spinor (eles não são independentes um do outro). Também temos uma conexão de rotação como antes.

Usaremos as seguintes convenções; os índices espaciais (bosônicos e fermiônicos) serão indicados por M, N, .... Os índices espaciais bosônicos será indicado por μ, ν, ..., os índices de Weyl espaciais canhotos por α, β, ..., e os índices de Weyl espaciais destros por , , .... Os índices para a fibra de T vai seguir uma notação semelhante, excepto que eles vão ser hatted como este: . Consulte a notação de van der Waerden para obter mais detalhes. . O supervierbein é denotado por e a conexão de spin por . O supervierbein inverso é denotado por .

O supervierbein e a conexão do spin são reais no sentido de que satisfazem as condições de realidade

onde ,, e e .

A derivada covariante é definida como

.

A derivada externa covariante, conforme definida nas supervariedades, precisa ser super graduada. Isso significa que toda vez que trocamos dois índices fermiônicos, pegamos um fator de sinal +1, em vez de -1.

A presença ou ausência de simetrias R é opcional, mas se houver simetria R, o integrando sobre o superespaço completo deve ter uma carga R de 0 e o integrando sobre o superespaço quiral deve ter uma carga R de 2.

Um supercampo quiral X é um supercampo que satisfaz . Para que essa restrição seja consistente, exigimos as condições de integrabilidade que, para alguns coeficientes c .

Ao contrário do não SUSY GR, a torção deve ser diferente de zero, pelo menos no que diz respeito às direções fermiônicas. Já, mesmo em superespaço plana, . Em uma versão do SUGRA (mas certamente não a única), temos as seguintes restrições sobre o tensor de torção:

Aqui, está uma notação abreviada para significar que o índice percorre os espinores de Weyl esquerdo ou direito.

O superdeterminante do supervierbein,, nos dá o fator de volume para M. Equivalentemente, temos o volume 4 | 4-superforma .

Se complexificarmos os superdiffeomorfismos, há uma medida onde , e . O superespaço quiral resultante tem as coordenadas xe Θ.

R é um supercampo quiral de valor escalar derivado dos supervielbeins e da conexão de spin. Se f for qualquer supercampo, é sempre um supercampo quiral.

A ação para uma teoria SUGRA com supercampos quirais X é dada por

onde K é o potencial Kähler e W é o superpotencial , e é o fator de volume quiral.

Ao contrário do caso do superespaço plano, adicionar uma constante ao Kähler ou ao superpotencial agora é físico. Uma mudança constante para o potencial de Kähler muda a constante efetiva de Planck , enquanto uma mudança constante para o superpotencial muda a constante cosmológica efetiva . Como a constante de Planck efetiva agora depende do valor do supercampo quiral X , precisamos redimensionar o supervierbeins (uma redefinição de campo) para obter uma constante de Planck constante. Isso é chamado de quadro de Einstein .

N = 8 supergravidade em 4 dimensões

N = 8 Supergravidade é a teoria quântica de campos mais simétrica que envolve a gravidade e um número finito de campos. Ele pode ser encontrado a partir de uma redução dimensional da supergravidade 11D, fazendo com que o tamanho de 7 das dimensões vá para zero. Tem 8 supersimetrias que é o máximo que qualquer teoria gravitacional pode ter, uma vez que existem 8 meios-passos entre o spin 2 e o spin -2. (Um gráviton tem o spin mais alto nesta teoria, que é uma partícula de spin 2). Mais supersimetrias significariam que as partículas teriam superparceiros com spins superiores a 2. As únicas teorias com spins superiores a 2 que são consistentes envolvem um número infinito de partículas (como a teoria das cordas e teorias de spin superior). Stephen Hawking em seu A Brief History of Time especulou que essa teoria poderia ser a Teoria de Tudo . No entanto, nos últimos anos, isso foi abandonado em favor da teoria das cordas. Há um interesse renovado no século 21 com a possibilidade de que essa teoria seja finita.

SUGRA de dimensão superior

SUGRA de dimensão superior é a generalização supersimétrica de dimensão superior da relatividade geral. A supergravidade pode ser formulada em qualquer número de dimensões até onze. SUGRA de dimensão superior concentra-se na supergravidade em mais de quatro dimensões.

O número de sobrecargas em um spinor depende da dimensão e da assinatura do espaço-tempo. As sobrecargas ocorrem em espinores. Assim, o limite do número de sobrecargas não pode ser satisfeito em um espaço-tempo de dimensão arbitrária. Alguns exemplos teóricos em que isso é satisfeito são:

  • Teoria bidimensional 12-dimensional
  • SUGRA máxima de 11 dimensões
  • Teorias SUGRA de 10 dimensões
    • Tipo IIA SUGRA: N = (1, 1)
    • IIA SUGRA de 11d SUGRA
    • SUGRA Tipo IIB: N = (2, 0)
    • SUGRA medido Tipo I: N = (1, 0)
  • 9d teorias SUGRA
    • Máximo 9d SUGRA de 10d
    • Dualidade T
    • N = 1 SUGRA medido

As teorias da supergravidade que mais atraíram o interesse não contêm spins superiores a dois. Isso significa, em particular, que eles não contêm nenhum campo que se transforma em tensores simétricos de classificação superior a dois nas transformações de Lorentz. A consistência das teorias de campos de spin superiores em interação é, no entanto, atualmente um campo de interesse muito ativo.

Veja também

Notas

Referências

Histórico

Em geral

links externos