МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени М. В. ЛОМОНОСОВА
Физический факультет
На правах рукописи
ЩЕРБЛЮК НИКОЛАЙ ГЕННАДЬЕВИЧ
ТОЧНЫЕ РЕШЕНИЯ В ПЯТИМЕРНЫХ И ШЕСТИМЕРНЫХ
СУПЕРГРАВИТАЦИЯХ
Специальность 01.04.02
Теоретическая физика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Москва — 2010
Работа выполнена на кафедре теоретической физики физического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова доктор физико-математических наук
Научный руководитель:
профессор Д. В. Гальцов.
доктор физико-математических наук
Официальные оппоненты:
зам. директора ЛТФ им. Боголюбова ОИЯИ А. С. Сорин доктор физико-математических наук вед. научн. сотр. В. Д. Иващук Томский государственный
Ведущая организация:
педагогический университет.
Защита состоится «» июня 2010 г. в «_» на заседании диссертационного совета Д501.002.10 при Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова по адресу: 119991 Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудитория «_».
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультете МГУ им. М. В. Ломоносова.
Автореферат разослан «» мая 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д501.002. доктор физико-математических наук профессор Ю. В. Грац
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы В последнее время возрос интерес к исследованию классических решений уравнений многомерных теорий супергравитации, которые играют важную роль в теории суперструн и космологических моделях с большими дополнительными измерениями. Классические решения позволяют исследовать непертурбативные аспекты теории струн, такие как соответствие AdS/CFT и термодинамика черных дыр. Особый интерес сейчас привлекают решения пятимерных теорий, где были обнаружены солитоны нового типа (черные кольца), нарушающие теоремы единственности для черных дыр в четырехмерной гравитации. Пятимерная гравитация лежит в основе моделей Рэндал-Сундрума, которые активно изучаются в связи с нерешенными проблемами физики элементарных частиц и космологии. Построение решений нелинейных уравнений супергравитации поэтому представляет собой актуальную математическую задачу, для решения которой необходима разработка новых методов.
Цель работы Целью диссертационной работы является вывод и исследование трехмерных сигма-моделей, которые возникают при тороидальной размерной редукции неминимальных пятимерных и шестимерных теорий супергравитации, разработка на этой основе техники генерации решений, зависящих от трех переменных, а также нахождение новых точных решений типа чёрных дыр и чёрных колец.
Научная новизна В диссертационной работе впервые развитая новая методика генерации решений в D = 5 супергравитации с тремя абелевыми векторными полями на основе группы U-дуальности SO(4,4) ее трехмерной редукции.
Аналогичная техника развита для D = 6 супергравитации с автодуальной 3-формой на основе группы U-дуальности SO(4,3). С помощью этих Если не оговорено особо, под тороидальной редукцией будем понимать как редукцию на тор S 1 S 1, так и на цилиндр S 1 R.
методов построены новые точные решения, представляющие интерес для теории суперструн: 1) пятимерная чёрная дыра сферической топологии, обладающая тремя независимыми электрическими зарядами и независимым вращением в двух плоскостях; 2) чёрное кольцо тороидальной топологии обладающее тремя электрическими зарядами и двумя угловыми моментами; 3) вращающаяся дионная (относительно поля Калуце-Клейна) чёрная дыра с топологией горизонта в виде “сплющенной” 3-сферы.
Научная и практическая значимость работы Работа носит теоретический характер. Развитый в ней подход представляет интерес для понимания дуальных симметрий неминимальных супергравитационных теорий в пяти и шести измерениях.
Техника генерации решений может быть использована для получения новых точных суперсимметричных и несуперсимметричных решений в этих теориях; она также открывает путь к дальнейшему построению двумерных интегрируемых моделей для данных теорий. Новое решение, описывающее пятимерную чёрную дыру с топологией горизонта в виде "сплющенной" 3-сферы, интересно в связи с возможностью рождения многомерных черных дыр на большом адроном коллайдере ЦЕРН.
Апробация диссертации Содержание различных разделов диссертации докладывалось на международной конференции по гравитации, космологии и астрофизике «RUSGRAV-13» (Россия, Москва, РУДН, 23-28 июня 2008); на международной конференции по чёрным дырам в общей теории относительности и теории струн (Хорватия, Вели Лосины, 24- августа 2008); на международной конференциях студентов, аспирантов, молодых ученых «Ломоносов–2009» (Россия, Москва, 2009); на научной конференции «Ломоносовские чтения» (Россия, Москва, 16-25 апреля 2010).
Публикации Основные результаты диссертации опубликованы в 9 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, трех глав основного текста, заключения, списка основных обозначений и определений и двух приложений. Полный объем диссертации — 148 стр., рисунков — 5, список литературы включает 152 ссылки.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во Введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулированы цели исследования, описана структура диссертации и приведен список основных публикаций по теме работы.В Главе 1 дан краткий обзор N = 2 пятимерных супергравитаций с произвольным набором векторных супермультиплетов. В таких теориях скаляры (модули), входящие в супермультплеты, образуют многообразия, характеризующиеся кубической формой (препотенциалом) N (X). Уравнение представляет скалярное многообразие как гиперповерхность, вложенную в пространство с координатами X. Для возможности построения техники генерации решений важно, чтобы многообразие модулей являлось однородным пространством. Условием для этого является определённая связь между супергравитацией и алгебрами Йордана. Оказывается, что многообразие модулей будет однородным при совпадении препотенциала с нормой алгебры Йордана степени три. В данной диссертации рассмотрен частный случай алгебры Йордана, у которой норму можно записать в следующем виде Теория с таким препотенциалом описывает пятимерную супергравитацию, в бозонном секторе которой присутствуют три абелевых поля AI, I = 1, 2, 3 и три скалярных поля (модули) X I, I = 1, 2, 3, связанные соотношением (1) — так называемая 5D U (1)3 супергравитация. Эта теория может быть получена из одиннадцатимерной супергравитации размерной редукцией на шестимерный тор с координатами z a, a = 1,..., 6.
Анзацы для 11D метрики и 3-формы калибровочного потенциала A[3] записываются в следующем виде (подразумевая, что полный набор 11D координат представим в виде {z a, xµ }) ds11 = ds5+X (dz ) +(dz ) +X (dz ) +(dz ) +X (dz ) +(dz ) ; (2) В этих выражениях поля материи: модули X I, абелевы 1-формы AI и пятимерная метрика gµ, µ, = 1,..., 5 с линейным элементом ds2 = gµ dxµ dx, не зависят от внутренних координат на 6-торе z a. Кроме того, разложения (2)-(3) позволяют давать пятимерным решениям (с метрикой gµ ) интерпретацию одиннадцатимерных конфигураций заряженных по форме F[4] = dA[3].
Также в первой главе проведена калуце-клейновская редукция пятимерной U (1)3 супергравитации в четырёхмерие. В результате исследования структуры многообразия модулей полученной D = 4 теории найдено симплектическое погружение SL(3, R)3 группы U-дуальности в D = 4 в группу Sp(8, R), которая действует нетривиальным образом на четырёхмерные поля материи.
В конце главы рассмотрены шестимерная супергравитационная модель, связанная с дилатоном и полем 3-формы, и её частный случай — супергравитация с автодуальной 3-формой. Первая теория после компактификации на окружность в пятимерие оказывается эквивалентной 5D U (1)3 супергравитации. Вторая в пятимерии совпадает с дилатон-аксионной гравитацией, возникающей при тороидальной компактификации эффективного действия гетеротической струны.
Установлена связь между пятимерными редукциями указанных шестимерных моделей.
В Главе 2 путём размерной редукции бозонных секторов пятимерных и шестимерных супергравитаций проводится построение трёхмерных лагранжианов нелинейных гравитирующих сигма-моделей. Исследуются группы U-дуальности (скрытые симметрии или изометрии) в D = 3, действующие на образованном скалярами сигма-модели многообразии — пространстве-мишени. А также даётся представление пространствамишени в виде косетной матрицы, т.е. матрицы фактор-пространства группы U-дуальности по подгруппе изотропии.
Построение сигма-модели, например, в D = 5 U (1)3 супергравитации редукцией в D = 3 сопровождается переформулировкой уравнений движения для полей материи (пятимерные метрика, скаляры и абелевы поля) исходной нередуцированной пятимерной теории в терминах набора только скалярных полей (потенциалов сигма-модели).
Предполагается, что как потенциалы, так и оставшиеся трёхмерные поля материи, не зависят от координат многообразия, по которому осуществляется редукция. Это означает, что мы интересуемся такими решениями теории, которые обладают определёнными пространственновременными симметриями (как правило, это стационарность и аксиальная симметричность). Руководствуясь этим, для пятимерных метрики и 1форм калибровочных потенциалов AI (xi, z 7, z 8 ) выбирают следующие разложения, подразумевая, что редукция проводится вдоль координат z 7, z 8, а оставшиеся координаты xi, i = 1, 2, 3 принадлежат трёхмерному пространству M3 :
Здесь компоненты метрики, содержащие координаты z 7 или z 8, параметризуются симметричной 2 2 матрицей из скаляров pq = pq (xi ), p, q = 7, 8 и калуце-клейновскими 1-формами ap = ap (xi ).
Соответственно, вместо z 7 - и z 8 -компонент пятимерных 1-форм AI рассматриваются трёхмерные аксионы uI (xi ) и v I (xi ). Фактор различает два случая: для пространственноподобной координаты z 8 (редукция на S 1 S 1 ) — = 1, для времениподобной (редукция на S 1 R) — = 1.
В результате тороидальной размерной редукции в D = 3 возникающие уравнения движения совпадают с уравнениями, выводимыми из действия для потенциалов сигма-модели и трёхмерной метрики. В (6) R3 — скаляр Риччи, который строится по трёхмерной метрике hij (xi ), A — потенциалы сигма-модели, и GAB - метрика на пространстве-мишени. Возможность такого представления связана с тем, что в трёхмерии динамические поля антисимметричных форм ранга три и выше отсутствуют, а поля 2-форм могут быть дуализированы оператором Ходжа через тождества Бьянки во внешние производные от скаляров. Эти новые скаляры, обозначаемые в диссертации как µI, p, связаны с трёхмерными калибровочными 1формами AI и калуце-клейновскими 1-формами ap посредством уравнений дуализации где Vp и GI — некоторые 1-формы, построенные из внешних дифференциалов от потенциалов сигма-модели. Кроме того, p обозначает дублет аксионов (uI, v I ), а GIJ обратную метрику на пространстве модулей исходной пятимерной U (1)3 супергравитации Заметим, что все геометрические величины в выражениях (7)-(8) определены в трёхмерном пространстве M3 с координатами xi и метрикой hij, ds2 = hij dxi dxj. В совокупности 16 скаляров2 A = {X I, pq, p, µI, p } параметризуют пространство-мишень трёхмерной сигма-модели, которое является многообразием с псевдоримановой метрикой.
Если пространство-мишень сигма-модели оказывается однородным симметрическим многообразием (что, как указывалось выше, открывает путь к различным методам генерации решений), то его можно представлять в виде фактор-пространства (косета) G/H группы U-дуальности G по ее подгруппе изотропии H. Математически симметрическое пространство G/K определяется существованием инволютивного автоморфизма (инволюции Картана), 2 = 1, разделяющего полупростую вещественную группу Ли G на два множества — максимально компактную подгруппу K, инвариантную относительно этого автоморфизма, и риманова многообразия с симметрической структурой (косетное пространство).
Автоморфизм индуцирует соответствующий автоморфизм алгебры Ли g группы G, также обозначаемый как. Его собственные значения ±1 соответствуют двум собственным пространствам — алгебре Ли K максимально компактной подгруппы K ((K) = K) и пространству T ((T ) = T ):
Важно отметить, что в физических приложениях мы, как правило, имеем дело с некомпактными вещественными формами G полупростой комплексной группы GC. Поэтому вместо K используется понятие подгруппы изотропии H, которая может быть как компактной, так и некомпактной.
Таким образом, зная матричное представление группы изометрий G, можно построить соответствующее матричное представление для Учитывая, что X I связаны соотношением (1).
косетного пространства. Тогда под глобальным действием группы G, реализуемом матрицей элемента g, косетная матрица M будет преобразовываться как При этом линейный элемент по метрике пространства-мишени будет оставаться инвариантным. При этом метрика 3-многообразия с координатами xi также не изменяется и, следовательно, не изменяется и полный лагранжиан сигма-модели в форме Подобные преобразования косетных матриц, представляющих некоторое известное (затравочное) решение супергравитационных уравнений, лежат в основе техники генерации решений.
Косетная матрица M строится на основе разложения Ивасавы, которое позволяет представить группу изометрий G в виде произведения подгруппы изотропии H, максимально абелевой подгруппы A и нильпотентной подгруппы N Поэтому, чтобы построить фактор-пространство G/H, сначала нужно выбрать максимально разрешимую подгруппу AN группы изометрий G. Это достигается экспоненцированием соответствующей максимально разрешимой подалгебры, которая совпадает с так называемой подалгеброй Бореля B. Последняя образована максимальной абелевой подалгеброй A и генераторами V, отвечающими положительным весам в разложении На практике это означает, что в некотором матричном представлении алгебры g подалгебра Бореля будет образована всеми бесследовыми верхнетреугольными матрицами. Экспоненцирование подалгебры Бореля V eB позволяет построить матрицу V, представляющую косет также с помощью верхнетреугольной матрицы. При левом действии глобальной группы G эта матрица, однако, не сохраняет верхнетреугольной формы, для восстановления которой необходимо выполнить правое умножение на некоторый элемент подгруппы изотропии. Чтобы избавиться от этого недостатка, вводится матрица M = V T KV, которая инвариантна относительно действия G без дополнительных преобразований. Здесь диагональная матрица K введена для различения случаев компактной и некомпактной подгрупп изотропии.
В данной диссертационной работе в Главе 2 построена трёхмерная сигма-модель для исходной пятимерной U (1)3 супергравитации. В этом случае группа U-дуальности G = SO(4, 4). После экспоненцирования соответствующей подалгебры Бореля строятся матричные представления косетных пространств которые являются симметрическими пространствами постоянной отрицательной кривизны. Структура группы SO(4, 4) позволяет представлять матрицу M в виде 8 8 матрицы с простой блочной Кроме того, в описываемой главе осуществлена редукция из D = в D = 3 шестимерной супергравитации с дилатоном и полем 3-формы.
Показано, что трёхмерная сигма-модель этой теории также имеет группу изометрий SO(4, 4). Иная параметризация скалярного многообразия сигма-модели позволила дать другое матричное представление для косетов (10)-(11).
Частный случай этой теории, а именно 6D супергравитация с автодуальной 3-формой, при тороидальной редукции в трехмерие приводит к сигма-модели с группой изометрий SO(4, 3). В этом случае также построены матричные представления косетов Операция тильда означает взятие обратной матрицы с транспонированием относительно побочной диагонали.
Между косетами (10)-(11) и (13)-(14) установлена связь в терминах потенциалов соответствующих сигма-моделей.
Глава 3 посвящена разработке техники генерации решений, основанной на матричных представлениях косетных пространств сигма-модели и действии на них группы U-дуальности. В ней также рассмотрен вопрос о выборе граничных условий (асимптотик) для решений типа чёрных дыр и колец, и найдены изометрии, оставляющие неизменным выбранное асимптотическое поведение затравочного решения.
Метод генерации решений заключается в следующем. Сигма-модель — это иной способ представить лагранжиан и соответственно уравнения движения теории. Часть компонент исходных метрики и полей материи выражается через набор скалярных полей (потенциалов) A, имеющих область определения в трёхмерном пространстве M3. На первом этапе построения решения необходимо выразить компоненты затравочной метрики через эти потенциалы. При этом нужно решить уравнения дуализации (если рассматривается, например, 5D U (1) супергравитация, то это уравнения (7)-(8)). Областью значений скаляров является пространство-мишень MT S сигма-модели. Иными словами, потенциалы реализуют координатное представление многообразия MT S.
Инвариантность метрики пространства MT S относительно группы изометрий G даёт возможность преобразовывать A, гарантируя, что построенные из новых скаляров метрика и поля материи будут решениями полевых уравнений той же исходной теории супергравитации. Поскольку MT S является симметрическим многообразием, оно изоморфно факторпространству группы изометрий G по подгруппе изотропии H: MT S G/H. Выбирая матричное представление группы G, “точку” пространства MT S можно с помощью отображения представить в виде матрицы M, зависящей от полей A Движение точки по многообразию сигма-модели представляет собой отображение или в матричных обозначениях где элемент g() находится в некотором матричном представлении группы G и зависит от постоянного параметра. Новые потенциалы извлекаются из матрицы M(), а параметр будет связан с новой физической характеристикой решения.
Чтобы избежать необходимости решения громоздких уравнений дуализации для сгенерированного решения, было предложено извлекать преобразованные 1-формы из дуальной к M матрицы N. Для построения этой матрицы N вводим матричнозначную 1-форму тока JM = JMi dxi = MdM1, с помощью которой можно переписать действие трёхмерной сигма-модели (6) в следующей форме В этом выражении дуальный оператор Ходжа определен относительно трёхмерной метрики hij. Вариация этого действия относительно JM показывает, что 2-форма JM замкнута:
Последнее означает, что матричнозначная 2-форма JM локально точна, т. е. она может быть представлена как внешняя производная от некоторой матричнозначной 1-формы N, а именно Матрица N определена с точностью до добавления произвольной матричнозначной замкнутой 1-формы, которая может быть связана с выбором подходящих асимптотических условий. Оказывается, что уравнения дуализации содержатся в определённых компонентах матричных уравнений (18), а сами трёхмерные 1-формы ap и AI спрятаны в некоторых компонентах дуальной матрицы. При глобальном действии g матрица N имеет следующий закон преобразования Из элементов матриц M и N можно извлечь потенциалы сигмамодели нового решения с той же трехмерной метрикой hij, что и у затравочного. В случае пятимерной супергравитации с тремя абелевыми полями пятимерные метрика и три 1-формы калибровочных полей будут строиться из преобразованных скаляров по формулам (4) и (5).
В качестве приложений в третьей главе построены семейства новых заряженных решений с различной топологией горизонта событий. Это заряженные пятимерные чёрные дыры, обобщающие решения МайерсаПерри, и пятимерные заряженные чёрные дыры со “сплющенным” горизонтом событий. Последние интересны тем, что будучи пятимерными решениями, они выглядят на бесконечности как четырёхмерные объекты с компактифицированной пятой координатой. Такие решения представляют интерес в связи с поиском на БАК многомерных черных дыр, предсказываемых моделями квантовой гравитации на уровне ТэВ.
Также рассмотрено приложение развитой техники к теории чёрных колец: впервые найдено трёхзарядовое (относительно трёх абелевых полей U (1)3 супергравитации) чёрное кольцо с двумя независимыми угловыми моментами. Такому решению можно придавать разные интерпретации в зависимости от рассматриваемой теории супергравитации. В частности, записывая метрику и поля материи кольца согласно анзацам (2) и (3), будем иметь одиннадцатимерные конфигурации в виде чёрных трубок, свёрнутых на шестимерный тор.
Характерной чертой трёхзарядовых колец, как с одним вращением, так и с двумя, является наличие патологий — конических сингулярностей типа струны Дирака-Мизнера. Эти сингулярности присутствуют как в пятимерной метрике трёхзарядового кольца, так и в калибровочных 1формах. Устранить их можно, исключив любые два из трёх зарядов. В итоге получится конфигурация, которую можно интерпретировать как решение шестимерных вакуумных уравнений Эйнштейна.
В Заключении сформулированы основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Проведена размерная редукция пятимерной U (1)3 супергравитации в четырёхмерие и найдено симплектическое представление SL(3, R) группы U-дуальности в размерности D = 4.
2. Построены трёхмерные нелинейные гравитирующие сигма-модели для 5D U (1)3 супергравитации, 6D супергравитации с дилатоном и полем 3-формы, а также для 6D супергравитации с автодуальной 3-формой, компактифицированных на тор. Найдены матричные представления косетов SO(4, 3)/(SO(4) SO(3)), SO(4, 3)/(SO(2, 2) SO(2, 1)), G(2,2) /SL(2, R)2 и G(2,2) /SO(4), определяющих геометрию соответствующих пространств-мишеней. Указана связь между ними, отражающая соотношения дуальности между названными теориями в пяти и шести измерениях.
3. На основе действия групп изометрий пространств-мишеней построенных трехмерных трёхмерных сигма-моделей разработана техника генерации точных решений в указанных теориях, обладающих различным асимптотическим поведением. Найдены классы преобразований, сохраняющие асимптотическое поведение следующих типов: 1) плоскую метрику в различных координатных системах; 2) локально плоскую метрику, представляющую нетривиальное S 1 расслоение над четырёхмерным пространствомвременем Минковского.
4. Развитая техника применена к проблеме черных дыр с различной топологией горизонта событий. Построено новое решение пятимерной супергравитации с тремя векторными полями, описывающее черную дыру с тремя независимыми зарядами и двумя независимыми параметрами вращения.
5. Впервые построено решение для пятимерного черного кольца с тремя зарядами и двумя независимыми угловыми моментами. Предложен способ устранения конических сингулярностей Дирака-Мизнера и показано, что несингулярное решение допускает интерпретацию в виде некоторого решения шестимерных вакуумных уравнений Эйнштейна.
6. Найден новый класс заряженных пятимерных чёрных дыр с топологией горизонта “сплющенной” 3-сферы, которые интерполируют между истинно пятимерными черными дырами вблизи горизонта событий и асимптотическими решениями в виде четырехмерных дыр, вытянутых вдоль дополнительного измерения.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах:
1. Bouchareb A., Cl ment G., Chen C.-M., Gal’tsov D. V., Scherbluk N. G., Wolf Th. G2 generating technique for minimal 5D supergravity and black rings. — Phys. Rev. D. — 2007. — Vol. 76, no. 10. — P. 104032..
2. Gal’tsov D. V., Scherbluk N. G. Generating technique for U (1)3 5D supergravity. — Phys. Rev. D. — 2008. — Vol. 78, no. 6. — P. 064033.
3. Gal’tsov D. V., Scherbluk N. G. Improved generating technique for D= supergravities and squashed Kaluza-Klein Black Holes. — Phys. Rev. D. — 2009. — Vol. 79, no. 6. — P. 064020.
4. Gal’tsov D. V., Scherbluk N. G. Three-charge doubly rotating black ring.
— Phys. Rev. D. — 2010. — Vol. 81, no. 4. — P. 044028.
5. Gal’tsov D. V., Scherbluk N. G. Hidden symmetries of non-minimal 5D supergravity. — сб. Современные проблемы теоретической физики — 2008. — Томск: Изд. ТГПУ — Сс. 171-186.
6. Gal’tsov D. V., Scherbluk N. G. Hidden symmetries of ve-dimensional supergravity and black rings. // Международная конференция по гравитации, космологии и астрофизике RUSGRAV-13, 23-28 июня г., РУДН, Москва, Россия. Сборник тезисов. — Москва: Изд. РУДН, 2008. — С. 74.
7. Gal’tsov D. V., Scherbluk N. G. Hidden symmetries in 5D supergravities and black rings. // Workshop on Black Holes in General Relativity and String Theory, Veli Losinj, Croatia, 24-30 Aug 2008: Proceedings of science. — PoS BHs, GR and Strings 2008:016.
8. Щерблюк Н. Г. Чёрные кольца и поиск скрытых симметрий в пятимерных супергравитациях. // Конференция “Ломоносов-2009”, секция “Физика”. Сборник тезисов. — Москва: Физический факультет МГУ, 2009. — С. 239.
9. Гальцов Д. В., Щерблюк Н. Г. Заряженные чёрные кольца с двумя параметрами вращения. // Научная конференция “Ломоносовские чтения”, секция “Физика”. Сборник тезисов докладов. — Москва:
Физический факультет МГУ, 2010. — С. 108.