Jan Moeller, Dissertation, Department Physik der Universität Hamburg, 2010 :

"Zusatzdimensionen auf der GUT Skala und leichte Moduli in Supergravitation und Kosmologie"


"GUT scale extra dimensions and light moduli in supergravity and cosmology"



Schlagwörter: Kaluza-Klein model, supergravity, dark matter, dark energy, dynamical system
PACS : 12.60.Jv, 04.50.Cd, 04.65.+e, 95.35.+d, 95.36.+x

Summary

Kurzfassung

Ich untersuche die dynamischen Eigenschaften geometrischer Moduli in Orbifold-Kompaktifizierungen von fünf- und sechs-dimensionalen Supergravitations-Theorien. Das Hauptaugenmerk liegt hierbei auf dem Einfluss des Kähler-Potentials, das in beiden Fällen in führender Ordnung von sogenannter `no-scale' Struktur ist. Im fünf-dimensionalen Fall kann der Volumen-Modulus, das Radion-Feld, stabilisiert werden durch perturbative Korrekturen am Kähler-Potential. In sechs Dimensionen gilt dasselbe für die Grösse und die komplexe Struktur der beiden Zusatzdimensionen, aber nur wenn zuvor das Dilaton durch nicht-perturbative Effekte fixiert werden kann, und zwar mit verschwindender potentieller Energie im Vakuum. Ich gebe eine systematische Beschreibung von Modellen mit `beinahe no-scale' Struktur und leite eine modell-unabhängige Formel für die Radion-Masse ab. Die Masse des Radions ist parametrisch unterdrückt im Vergleich zur Masse des Gravitinos. Das Massenverhältnis reflektiert die Hierarchie zwischen der Planck-Skala und der Kompaktifizierungs-Skala. In einem konkreten Beispiel wird die Kompaktifizierungs-Skala bestimmt durch Fayet-Iliopoulos-Terme, die zusammen mit einer lokal anomalen U(1) Eichgruppe auftreten und von der Grössenordnung der GUT-Skala sind. Für den Fall, dass das Gravitino gleichzeitig für die dunkle Materie im Universum verantwortlich ist, resultiert eine Radion-Masse von 1 - 10 MeV. In diesem Energiebereich ist das Radion kosmologisch stabil und trägt einen kleinen Anteil zur dunklen Materiedichte bei. Aus Beobachtungen galaktischer Gamma-Emissionen lässt sich eine Schranke an die anfängliche Auslenkung des Radion-Feldwertes gegenüber seinem Vakuum-Erwartungswert herleiten. Desweiteren untersuche ich die Auswirkungen eines typischen Moduli-Kähler-Potentials auf die kosmologische Dynamik eines solchen komplexen Skalarfeldes. Insbesondere diskutiere ich eine Klasse von Modellen mit steil abfallenden exponentiellen Potentialen und nicht-kanonischen kinetischen Termen, zu der auch das Radion-Beispiel zählt. Neben einer Präzisierung des bekannten `overshooting'-Problems der kosmologischen Dynamik von Moduli-Feldern ergibt sich die interessante Möglichkeit von Lösungen, die ein Feld beschreiben, das langsam einen steilen Potentialhang `hinabrollt'.

Titel

Kurzfassung

Summary

We study the dynamical properties of geometric moduli in five- and six-dimensional supergravity compactified on flat orbifolds, focusing on the impact of the Kähler potential. In both cases, the Kähler potential exhibits no-scale structure at tree level. In five dimensions, the volume modulus (radion) can be stabilized by means of perturbative Kähler corrections. In six dimensions, the same holds for size and shape of the extra dimensions, only if the dilaton can be stabilized in a Minkowski vacuum by non-perturbative effects. We develop a systematic description of almost no-scale models and derive a model independent formula for the radion mass. The radion mass is suppressed compared to the gravitino mass. The suppression factor reflects the hierarchy between the Planck and the compactification scale. We analyze a specific example, where the compactification scale is determined by Fayet-Iliopoulos terms of a locally anomalous Abelian gauge group, which are O(M_GUT). In a scenario with gravitino dark matter, this leads to a radion mass of 1 - 10 MeV. In this mass range, the radion is cosmologically stable and contributes to the dark matter density. Based on galactic gamma ray data, we derive a tight bound on the initial displacement of the field value from its low energy vacuum. We also investigate implications of typical moduli Kähler potentials on the cosmological evolution of the scalar fields. In particular, we discuss a class of models with steep exponential potentials and non-canonical kinetic terms, motivated by our radion example. We consider the overshooting problem of cosmological moduli dynamics, and the possibility of slow-roll solutions despite the steepness of the scalar potential.