機械学習を用いた弦の有効理論の構築

• Project Area: Foundation of "Machine Learning Physics" --- Revolutionary Transformation of Fundamental Physics by A New Field Integrating Machine Learning and Physics
• Project/Area Number: 23H04512
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 大塚 啓 九州大学, 理学研究院, 助教 (80777988)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 超弦理論 / 機械学習 / 有効理論 / フレーバー対称性 / 素粒子現象論

Outline of Research at the Start

理論的・実験的問題点が指摘されている素粒子標準模型の拡張に当たり、ゲージ及び重力相互作用を統一的に記述し素粒子統一理論の候補と期待される超弦理論に注目する。余剰次元空間を予言する弦理論において、真空解であるカラビヤウ多様体は無数に存在し、その有効理論の構造は解明されていない。本研究では、機械学習/深層学習を用いて、カラビヤウ多様体上の超弦理論の有効理論の全貌を明らかにすることを目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、IIA型超弦理論におけるブレーン交叉模型に対して、深層学習の一種であるオートエンコーダを適用しブレーン模型の持つ特徴量を抽出した。クォークとレプトンの世代数が一致する、もしくは一致しないブレーン模型をオートエンコーダのニューラルネットワークのインプットデータとした。インプットデータはIIA型超弦理論の満たすべき様々な制約条件を満たしている。
学習後のオートエンコーダに基づき、ニューラルネットワークの中間層である２次元のボトルネックレイヤーを解析すると、クォークとレプトンの世代数が一致する現実的なD6ブレーン模型がクラスター化されることを明らかにした。特に、そのクラスターはクォーク・レプトンと結合しないD6ブレーンの持つ電荷で特徴づけられている。このことはD6ブレーンの持つ電荷に注目した解析を行うことで、効率的に現実的なDブレーン模型の構築が実行可能であることを示唆している。次年度に、この構造の背後にある起源を明らかにしていきたい。

素粒子の世代数を決定するトポロジカル量は、弦理論における様々な制約条件を満たす必要がある。トポロジカル量は、IIB型超弦理論やヘテロ型超弦理論における余剰次元空間上の磁場やIIA型超弦理論におけるブレーンの交叉角に対応する。本年度は、このトポロジカル量の上限値が弦理論におけるタドポール条件（Dブレーンの電荷保存則）により決定されていることを定量的に示した。次年度は、この得られた解析的な式に基づき、機械学習を用いた弦理論の有効理論の構築を進めていきたい。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

IIA型超弦理論のブレーン模型において、オートエンコーダーを用いて素粒子の世代数を解明する研究が進展した。そのため、おおむね順調に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

様々な機械学習・深層学習の手法を活用し、弦理論の有効理論の構築とその現象論研究を行い、実験・観測データとの比較検証を行う。当初の研究計画の実施のみならず、当初の研究計画より広範な分野の研究課題を遂行予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Bologna/INFN(イタリア)
• [Int'l Joint Research] Humboldt University(ドイツ)
• [Journal Article] Modular flavor models with positive modular weights: a new lepton model building (2024)
  • Author(s): Kobayashi Tatsuo、Nomura Takaaki、Okada Hiroshi、Otsuka Hajime
  • Journal Title: Journal of High Energy Physics Volume: 2024 Issue: 1 Pages: 1-22
  • DOI: 10.1007/jhep01(2024)121
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Flux Landscape with enhanced symmetry not on SL(2, Z) elliptic points (2024)
  • Author(s): Ishiguro Keiya、Kai Takafumi、Kobayashi Tatsuo、Otsuka Hajime
  • Journal Title: Journal of High Energy Physics Volume: 2024 Issue: 2 Pages: 1-49
  • DOI: 10.1007/jhep02(2024)099
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Sequestered string models imply split supersymmetry (2024)
  • Author(s): Cicoli Michele、Cotellucci Alessandro、Otsuka Hajime
  • Journal Title: Journal of High Energy Physics Volume: 2024 Issue: 1 Pages: 059-059
  • DOI: 10.1007/jhep01(2024)059
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Upper bound on the Atiyah-Singer index from tadpole cancellation (2024)
  • Author(s): Ishiguro Keiya、Kai Takafumi、Nishimura Satsuki、Otsuka Hajime、Takeuchi Maki
  • Journal Title: Journal of High Energy Physics Volume: 2024 Issue: 1 Pages: 200-200
  • DOI: 10.1007/jhep01(2024)200
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Flavor, CP and metaplectic modular symmetries in Type IIB chiral flux vacua (2023)
  • Author(s): Ishiguro Keiya、Kai Takafumi、Okada Hiroshi、Otsuka Hajime
  • Journal Title: Journal of High Energy Physics Volume: 2023 Issue: 12 Pages: 136-136
  • DOI: 10.1007/jhep12(2023)136
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Exploring the flavor structure of quarks and leptons with reinforcement learning (2023)
  • Author(s): Nishimura Satsuki、Miyao Coh、Otsuka Hajime
  • Journal Title: Journal of High Energy Physics Volume: 2023 Issue: 12 Pages: 021-021
  • DOI: 10.1007/jhep12(2023)021
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Modular forms and hierarchical Yukawa couplings in heterotic Calabi-Yau compactifications (2024)
  • Author(s): Hajime Otsuka
  • Organizer: "Particle Physics and Cosmology from String Compactification" 2nd meeting
• [Presentation] Sequestered String Models imply Split Supersymmetry (2024)
  • Author(s): 大塚啓
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] Upper bound on the Atiyah-Singer index from tadpole cancellation (2023)
  • Author(s): Hajime Otsuka
  • Organizer: String phenomenology 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Upper bound on the Atiyah-Singer index from tadpole cancellation (2023)
  • Author(s): 大塚啓
  • Organizer: 場の理論と弦理論 2023
• [Presentation] Open challenges for string phenomenology (2023)
  • Author(s): Hajime Otsuka
  • Organizer: Particle Physics and Cosmology from String Compactification
• [Presentation] Upper bound on the Atiyah-Singer index from tadpole cancellation (2023)
  • Author(s): 大塚啓
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] Flavor, CP and Modular Symmetries from the top down and the bottom up (2023)
  • Author(s): Hajime Otsuka
  • Organizer: KEK Theory Meeting on Particle Physics Phenomenology (KEK-PH2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Sequestered String Models imply Split Supersymmetry (2023)
  • Author(s): Hajime Otsuka
  • Organizer: KEK Theory Workshop 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sequestered String Models imply Split Supersymmetry (2023)
  • Author(s): 大塚啓
  • Organizer: 第129回日本物理学会九州支部例会
• [Remarks]
  • URL: https://researchmap.jp/7000017471
• [Remarks]
  • URL: https://sites.google.com/view/kyushu-het