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Challenging swampland conjectures in exotic corners of the landscape
Challenging swampland conjectures in exotic corners of the landscape
Effektive Feld-Theorie erlaubt uns die Physik unserer Welt auf unterschiedlichen Energie-Niveaus zu beschreiben. Umgekehrt muss eine effektive Theorie, mit der wir unsere Welt auf alltäglichen Skalen darstellen, bei hohen Energien mit der Quantengravitation vereinigt werden. Dies ist nicht uneingeschränkt möglich. Deshalb möchte das Swampland-Programm die Voraussetzungen unter welchen eine effektive Theorie mit der Gravitation gekoppelt werden kann eruieren. Diese Bedingungen werden “Swampland Conjectures” genannt. Sie geben klare Vorhersagen und begrenzen die effektiven Theorien, welche über das Standardmodell hinaus in Betracht gezogen werden sollten. Zum Beispiel soll ein langlebiges de-Sitter (dS) Universum schlicht unmöglich sein. In Anti-de-Sitter (AdS) ist die kosmologische Konstante an die Massen eines Turms von Teilchen gekoppelt, sodass der Energiebereich in welchem die effektive Theorie valide ist im Grenzfall des flachen Raumes verschwindet. Allerdings sind Swampland Conjectures generell nicht mathematisch beweisbar. Nur wenige konnten bislang rigoros bewiesen werden, und auch diese nur in speziellen Bereichen der String Theorie. Die meisten Swampland Conjectures beziehen Inspiration und Evidenz von der String Theorie und Schwarzen Löchern. String Theorie, eine natürliche Theorie der Quantengravitation, hat eine große Zahl an Vakua mit vielen gut verstandenen effektiven Theorien. Dies stellt eine riesige Datenmenge dar, mit welcher Swampland Conjectures überprüft werden können. Unglücklicherweise sind die am besten verstandenen Vakua nicht unbedingt eine repräsentative Menge. Mit ähnlichen Konfigurationen von BPS D-Branen und p-Form Flüssen sowie perturbativen Beiträgen besteht die reelle Gefahr, dass manche Swampland Conjectures nur ein Produkt der selektiven Datenauswahl sind. Die Arbeit, welche in dieser Dissertation präsentiert wird, testet die dS und AdS Swampland Conjectures in bislang weniger gut untersuchten Bereichen der String Theorie. Mit non-BPS Branen und Exotischen String Theorien versuchen wir Hindernisse, welche dS Vakua verhindern, zu umgehen. Immer wenn wir einen Schritt näher an dS kommen, tauchen stattdessen neue Probleme auf. Demzufolge wird die dS Swampland Conjecture auch in diesen exotischen Bereichen des String Landscape bestätigt. Schließlich untersuchen wir nicht-perturbative Beiträge und erkennen, dass die AdS Swampland Conjectures um log-terme ergänzt werden müssen. Zusammengefasst bestätigen wir die Swampland Conjectures bis auf log Korrekturen auch in exotischen Bereichen der String Theorie., Effective field theories are the way physics describes the world at different energies. Conversely, this means that any effective theory of our universe should couple to quantum gravity at high energies. Realizing that this is not always possible, the swampland program tries to delineate the conditions under which a low energy theory can be consistently completed with gravity in the UV. These conditions are called swampland conjectures. They give real predictions and bounds on the effective theories we should consider in beyond the standard model physics. For instance, it is conjectured that a long-lived de Sitter (dS) vacuum is simply impossible. In Anti-de Sitter (AdS), the magnitude of the cosmological constant is related to the mass of a tower of states, so that the energy cutoff of the effective theory goes to zero as we approach flat space. However, as the name “conjecture” already implies, these statements are not in general mathematically proven. Only a very few conjectures have been rigorously proven, and even then only in special subsectors of string theory. The bulk of the swampland conjectures takes inspiration and evidence from string theory and black hole physics. String theory as a natural theory of quantum gravity has a huge number of vacua, with many well characterized effective theories. This provides an enormous data set that swampland conjectures can be tested on. Unfortunately, the best understood vacua of string theory are not necessarily a representative set. With similar setups, only using standard D-branes, p-form fluxes and perturbative contributions, there is a danger that the swampland conjectures are a product of the lamppost effect. This is the motivation for the work presented in this thesis. We investigate the dS and AdS swampland conjectures in less explored regimes of string theory, in order to escape the lamppost. We introduce non-BPS branes and consider exotic string theories to try and get around various obstructions to finding dS vacua. Always we observe that while we do manage to circumvent obstructions, new problems appear. This confirms the no-dS conjecture also in exotic corners of the string landscape. Finally we consider non-perturbative contributions and find that here the AdS swampland conjectures have to be corrected by log-terms. In summary, we find that even in strange and new corners of string theory, and up to quantum log-corrections, the swampland conjectures still hold.
String Theory, Quantum Gravity
Brinkmann, Max
2021
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Brinkmann, Max (2021): Challenging swampland conjectures in exotic corners of the landscape = Prüfen von Swampland Conjectures in exotischen Bereichen des Landscape. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Effektive Feld-Theorie erlaubt uns die Physik unserer Welt auf unterschiedlichen Energie-Niveaus zu beschreiben. Umgekehrt muss eine effektive Theorie, mit der wir unsere Welt auf alltäglichen Skalen darstellen, bei hohen Energien mit der Quantengravitation vereinigt werden. Dies ist nicht uneingeschränkt möglich. Deshalb möchte das Swampland-Programm die Voraussetzungen unter welchen eine effektive Theorie mit der Gravitation gekoppelt werden kann eruieren. Diese Bedingungen werden “Swampland Conjectures” genannt. Sie geben klare Vorhersagen und begrenzen die effektiven Theorien, welche über das Standardmodell hinaus in Betracht gezogen werden sollten. Zum Beispiel soll ein langlebiges de-Sitter (dS) Universum schlicht unmöglich sein. In Anti-de-Sitter (AdS) ist die kosmologische Konstante an die Massen eines Turms von Teilchen gekoppelt, sodass der Energiebereich in welchem die effektive Theorie valide ist im Grenzfall des flachen Raumes verschwindet. Allerdings sind Swampland Conjectures generell nicht mathematisch beweisbar. Nur wenige konnten bislang rigoros bewiesen werden, und auch diese nur in speziellen Bereichen der String Theorie. Die meisten Swampland Conjectures beziehen Inspiration und Evidenz von der String Theorie und Schwarzen Löchern. String Theorie, eine natürliche Theorie der Quantengravitation, hat eine große Zahl an Vakua mit vielen gut verstandenen effektiven Theorien. Dies stellt eine riesige Datenmenge dar, mit welcher Swampland Conjectures überprüft werden können. Unglücklicherweise sind die am besten verstandenen Vakua nicht unbedingt eine repräsentative Menge. Mit ähnlichen Konfigurationen von BPS D-Branen und p-Form Flüssen sowie perturbativen Beiträgen besteht die reelle Gefahr, dass manche Swampland Conjectures nur ein Produkt der selektiven Datenauswahl sind. Die Arbeit, welche in dieser Dissertation präsentiert wird, testet die dS und AdS Swampland Conjectures in bislang weniger gut untersuchten Bereichen der String Theorie. Mit non-BPS Branen und Exotischen String Theorien versuchen wir Hindernisse, welche dS Vakua verhindern, zu umgehen. Immer wenn wir einen Schritt näher an dS kommen, tauchen stattdessen neue Probleme auf. Demzufolge wird die dS Swampland Conjecture auch in diesen exotischen Bereichen des String Landscape bestätigt. Schließlich untersuchen wir nicht-perturbative Beiträge und erkennen, dass die AdS Swampland Conjectures um log-terme ergänzt werden müssen. Zusammengefasst bestätigen wir die Swampland Conjectures bis auf log Korrekturen auch in exotischen Bereichen der String Theorie.

Abstract

Effective field theories are the way physics describes the world at different energies. Conversely, this means that any effective theory of our universe should couple to quantum gravity at high energies. Realizing that this is not always possible, the swampland program tries to delineate the conditions under which a low energy theory can be consistently completed with gravity in the UV. These conditions are called swampland conjectures. They give real predictions and bounds on the effective theories we should consider in beyond the standard model physics. For instance, it is conjectured that a long-lived de Sitter (dS) vacuum is simply impossible. In Anti-de Sitter (AdS), the magnitude of the cosmological constant is related to the mass of a tower of states, so that the energy cutoff of the effective theory goes to zero as we approach flat space. However, as the name “conjecture” already implies, these statements are not in general mathematically proven. Only a very few conjectures have been rigorously proven, and even then only in special subsectors of string theory. The bulk of the swampland conjectures takes inspiration and evidence from string theory and black hole physics. String theory as a natural theory of quantum gravity has a huge number of vacua, with many well characterized effective theories. This provides an enormous data set that swampland conjectures can be tested on. Unfortunately, the best understood vacua of string theory are not necessarily a representative set. With similar setups, only using standard D-branes, p-form fluxes and perturbative contributions, there is a danger that the swampland conjectures are a product of the lamppost effect. This is the motivation for the work presented in this thesis. We investigate the dS and AdS swampland conjectures in less explored regimes of string theory, in order to escape the lamppost. We introduce non-BPS branes and consider exotic string theories to try and get around various obstructions to finding dS vacua. Always we observe that while we do manage to circumvent obstructions, new problems appear. This confirms the no-dS conjecture also in exotic corners of the string landscape. Finally we consider non-perturbative contributions and find that here the AdS swampland conjectures have to be corrected by log-terms. In summary, we find that even in strange and new corners of string theory, and up to quantum log-corrections, the swampland conjectures still hold.