FÍSICA DE ALTAS ENERGÍAS FÍSICA DE ALTAS ENERGÍAS F. Quevedo, Cambridge Guatemala, USAC Converciencia2005.

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1 FÍSICA DE ALTAS ENERGÍAS FÍSICA DE ALTAS ENERGÍAS F. Quevedo, Cambridge Guatemala, USAC Converciencia2005

2 PLAN Física en 4D El Paisaje de Cuerdas Supersimetría y Dimensiones Extra Inflación y Cuerdas

3 Física en 4D

4 Siglo XX Modelo Estándar de Partículas Modelo Estándar de Partículas Modelo Estándar de Cosmología 3+1 Dimensiones 3+1 Interacciones 3+1 Familias Modelo Big-Bang (FRW) + Modelo Estándar de PE + Termodinámica

5 El Modelo Estándar

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8 FONDO DE MICROONDAS

9 Grandes Enigmas Gravedad Microscópica Jerarquías : M EW /M Planck =10 -15 (Supersimetría?) Constante Cosmólogica M Λ /M EW =10 -15 (??) Por Qué? ( 3+1 dimensiones, fuerzas, familias; masas, acoplos (20 parámetros libres ) ) Cosmología : Big-Bang (singularidad) Planitud, Horizonte,… Inflación? Planitud, Horizonte,… Inflación? Energía Obscura (constante cosmologica?) Energía Obscura (constante cosmologica?) Materia Obscura Materia Obscura Bariogénesis… Bariogénesis…

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11 Inflación Cosmológica Expansión Exponencial ?

12 EVIDENCIA EXPERIMENTAL Ω = Ω Λ + Ω M + Ω K = 1 Ω = ρ/ρ c densidad de energίa relativa K = -1,0,1 universo abierto, plano, cerrado Ω Λ ~ 0.7, Ω M ~ 0.3, Ω k ~ 0

13 Contenido de Energía del Universo

14 El Paisaje de la Teoría de Cuerdas

15 Teoría de Cuerdas Partículas son cuerdas Gravitación incluida Unifica todas las partículas y fuerzas (sueño de Einstein) El Universo es en 10 (11) dimensiones !!! Nuestro universo 10d = 4d+6d (6d muy pequeñas ?) (6d muy pequeñas ?)

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17 Es nuestro Universo una Brana ?

18 El Mundo Brana …, ADD, Horava-Witten,… t=1995-1998 Dimensiones extra grandes (0.1mm)!

19 La Teoría es Única!! Pero hay muchas soluciones o vacíos Cada solución un universo diferente!!!

20 Teorías Efectivas

21 El Problema Teoría única pero muchas soluciones (?). Teoría única pero muchas soluciones (?). Algunas soluciones se parecen al modelo estándar (supersimétrico (SUSY)). Degeneración: Discreta + Continua (SUSY). Problemas principales: Romper SUSY + Degeneración de vacíos.

22 Historia t<1986 Compactificaciones: Muchos parámetros libres o moduli (tamaño y forma de dimensiones extra). 1995<t<2002 Más moduli! (posiciones de D-branas) t>2002 Flujos fijan moduli ! Dilaton S, Kähler T Complex structure U Wilson lines W

23 Escenario KKLT Cuerdas IIB en Espacio de Calabi-Yau (6d) Cuerdas IIB en Espacio de Calabi-Yau (6d) Flujos Flujos a F 3 = n a b H 3 = m b a F 3 = n a b H 3 = m b Superpotencial W = G 3 Λ Ω, G 3 = F 3 –iS H 3 Superpotencial W = G 3 Λ Ω, G 3 = F 3 –iS H 3 Potencial: V= e K |D a W| 2 Potencial: V= e K |D a W| 2 Mínimo D a W = 0 Fija los U a y S Mínimo D a W = 0 Fija los U a y S T moduli sin fijar: No-Scale models T moduli sin fijar: No-Scale models Tamaño de ciclo a = U a GKP

24 Espacios con gargantas! Volume

25 Multi-gargantas

26 Fijando todos los moduli y espacios con gargantas!!! KKLT, BKQ, SS V axionvolume

27 Modelos Realistas CG-MQU, CSU

28 Espacio de Soluciones Soluciones clásicas Decaimiento cuántico (efecto túnel)

29 Multiverso

30 Supersimetría y Dimensiones Extra

31 Soluciones al problema de jerarquías Supersimetría Principio Antrópico Dimensiones Extra: 1. Dimensiones exponencialmente grandes 1. Dimensiones exponencialmente grandes 2. Gargantas 2. Gargantas

32 Supersimetría electrón (s=1/2) selectrón (s=0) electrón (s=1/2) selectrón (s=0) quark (s=1/2) squark (s=0) quark (s=1/2) squark (s=0) fotón (s=1) fotino (s=1/2) fotón (s=1) fotino (s=1/2) W (s=1) Wino (s=1/2) W (s=1) Wino (s=1/2) Extensión más general de las simetrías del espacio-tiempo!! Presente en cuerdas por consistencia!

33 Unificación de acoplos!

34 Implicaciones de Supersimetría Unificación de acoplos Unificación de acoplos Explicación de materia obscura Posible explicación de bariogénesis (por qué estamos aquí?) Neutrinos livianos?... Resuelve problema de jerarquías!!!!

35 Futuro Cercano

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38 Super Kamiokande (p -> e + o )>10 33 years

39 Si se descubre: ILC (International Linear Collider)

40 Exponentially Large Volumes At least two Kähler moduli (h 21 >h 11 >1) Perturbative corrections to K Example : Exponentially large ! BBCQ, CQS

41 Non SUSY AdS W 0 ~1-10 String scale: Ms 2 =Mp 2 /V

42 KKLT AdS Non SUSY AdS W 0 ~10 -10 W 0 <10 -11 Both minima merge

43 Soft SUSY Breaking From KKLT not explicit model but interesting general behaviour (D/F term breaking, AMSB, …) From lifting of large volume models Ms~10 13 GeV Gaugino masses ~ 10 2 GeV, scalars m ~ 10 7 GeV Ms=M GUT viable if warping, Ms=Tev `viable if SM anti D-brane (but 5 th force and cmp?) CFNOP,CJO CQS Matter on D3

44 Three General Scenarios Generalised Fluxed MSSM Intermediate Scale Split SUSY Stringy mSUGRA SM on D7 brane, 10 12 Gev<Ms<10 17 Gev SM on D3 brane, Ms=10 12 Gev SM on D3 brane, Ms=10 17 Gev

45 Benchmark Models Fluxed MSSM Split SUSY

46 Preguntas Abiertas Modelo concreto realista (bottom-up) Control de escalas posibles Predicciones concretas Constante cosmológica (solo principio antrópico?)

47 String Theory and 4D Inflation

48 MOTIVATION Inflation: very successful but only scenarios in search of a theory Inflation: very successful but only scenarios in search of a theory String theory: fundamental theory but lacks experimental tests. Is it possible to `derive inflation from string theory?

49 HISTORY t<1986 Calabi-Yau String Compactifications: Many free moduli (size and shape of extra dimensions) from g mn, B mn, φ, A m I,… 1986<t<1991 Geometric moduli: candidate for inflaton fields. But no potentials (V=0). Or V too steep: Or V too steep: Dilaton S, Kähler T Complex structure U Wilson lines W Candelas et al. Binetruy-Gaillard, Banks et al Brustein-Steinhardt

50 Inflation Need to compute scalar potential from String theory satisfying slow-roll conditions: Number of e-folds N>60 Density perturbations

51 t=1998 More moduli! : D-brane inflation. But V=0 or non-calculable. t=2001 Brane/Antibrane inflation: Dvali-Tye Generically no slow roll, and moduli non fixed, but… Burgess et al., Dvali et al

52 V Y tachyon Tachyon complex topological defects D (p-2) branes cosmic strings ! End of inflation: Open string tachyon BMNQRZ ST, JST, CMP S, BMNQRZ FQ hepth/0210292

53 D3 Brane φ φ inflaton field Brane-Antibrane Inflation and Moduli Stabilisation KKLMMT, HKP, KTW, FT, BCSQ, …

54 Slow-roll (large field) inflation possible. Need 1/1000 fine tuning of parameters to get 60-efoldings (η-problem) N~60, δ H ~10 -5 for Ms~ 10 15 GeV n s ~1.05 BCSQ

55 Tachyonic Inflation A,B depend on warping (fluxes) and E&M fields on non- BPS brane. If A,B~1 no slow-roll AB large slow-roll No fine-tuning! But need large fluxes Sen, Raeymakers, Cremades-Sinha-FQ

56 Racetrack Inflation Topological eternal inflation ! Slow roll if 1/1000 fine tuning, N~60, δ H ~10 -5 for Ms~10 15 GeV n s ~ 0.95 Blanco-Pillado et al. Also for W 0 =0 if add matter Lalak, Ross, Sarkar

57 Racetrack Inflation

58 Kähler Moduli Inflation Any Calabi-Yau: 21 > 11 h 21 >h 11 >2 volume τnτn V Conlon-FQ Large field inflation No fine-tuning!! 0.960<n<0.967

59 CONCLUSIONS Exciting times!!! Warping and large extra dimensions. Soft terms calculable for first time rich phenomenology Concrete models of inflation Simple principles, complicated solutions, but SM is also ugly! Many open questions (A fully realistic model?) (String Vacuum Project (SVP)?)

60 INITIAL CONDITIONS Sens open string completeness conjecture t -t Pre big-bang ! ? Inflation and compactification or big-crunch/bang and decompactification ! ? and decompactification ! ?