[論文レビュー] Addressing the strong CP problem with quark mass ratios

J. Lorenzo Díaz-Cruz, U. J. Saldaña-Salazar+1 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 45被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、クォーク質量（ヤコビ行列）の構造について最小限の仮定をした場合、標準模型内では強いCP問題が存在しないと主張している。クォーク質量行列を対角化する双ユニタリ変換を分析することで、著者らは強い相互作用系におけるCP違反が自然に抑制されることを示し、axion や新しい対称性といった新しい物理学の必要性を排除した。

ABSTRACT

The strong CP problem is one of many puzzles in the theoretical description of elementary particles physics that still lacks an explanation. Solutions to that problem usually comprise new symmetries or fields or both. The main problem seems to be how to achieve small CP in the strong interactions despite large CP violation in weak interactions. Observation of CP violation is exclusively through the Higgs–Yukawa interactions. In this letter, we show that with minimal assumptions on the structure of mass (Yukawa) matrices the strong CP problem does not exist in the Standard Model and no extension to solve this is needed. However, to solve the flavor puzzle, models based on minimal SU(3) flavor groups leading to the proposed flavor matrices are favored. [e-mail] [e-mail] [e-mail] Introduction.—Problems are the nourishment of theoretical physics. Besides several other problems that still wait to be finally solved, the strong CP problem seems to be one of the simplest to be elucidated. The problem itself resides in the interplay of non-perturbative effects in Quantum Chromodynamics (QCD) and CP violation (CPV) in weak interactions (basically the Higgs–Yukawa sector in the Standard Model). Curiously, the majority of present day solutions to many of the problems in high energy physics obey the tendency of always going beyond the Standard Model (SM); the strong CP problem seems to share the same tendency. However, here we follow a different philosophy and carefully scrutinize the structure of the SM, offering an alternative solution to the strong CP problem. Our point of view might be defined as pragmatic as we only study the mass matrices along with the bi-unitary transformations diagonalizing them. Now, before moving to the details of our treatment let us first briefly discuss what the strong CP problem is. A comprehensive review of this problem can be found e. g. in [1] and similar references. The θ parameter of QCD parametrizes the non-equivalence of possible QCD vacua as for non-abelian gauge fields there can be non-vanishing winding numbers defined as

研究の動機と目的

• 強いCP問題が標準模型を超える新しい物理学を必要とするという一般的な仮定に挑戦すること。
• 量子色力学（QCD）におけるCP違反の観測されない事実が、ヤコビ行列の内在的構造によって説明可能かどうかを調査すること。
• クォーク質量のフラバー構造に対する最小限の仮定が、強いCPパラメータθを自然に抑制できるかどうかを特定すること。
• フラバーのパズルと強いCP問題が相互に関連しており、最小限のSU(3)フラバー対称性枠組み内で同時に解決可能かどうかを評価すること。

提案手法

• クォーク質量行列を対角化する双ユニタリ変換の構造を分析すること。
• ヤコビ行列の形式に関する最小限の仮定を適用し、強い相互作用系におけるCP違反位相の可能性を制限すること。
• 実験的に観測されたように、ヒッグス–ヤコビ相互作用をCP違反の唯一の出処とする。
• クォーク質量行列の対角化プロセスを通じてCP奇性寄与を追跡し、QCDにおける有効なθパラメータを評価すること。
• 観測されたクォーク質量および混合パターンを説明するために、最小限のSU(3)フラバー群構造を仮定すること。
• 得られるQCDラグランジアンにおけるCP違反位相が、自然に10^-10以下に抑制されることを示すこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最小限の仮定のもとで、標準模型のヤコビ行列の構造のみに依拠して、新しい対称性や場を導入することなく強いCP問題を解決できるか？
• RQ2 ヒッグス–ヤコビ系がCP違反を生成する役割を果たすとは何か？ そして、それはQCDのθパラメータにどのように影響するか？
• RQ3 強いCPパラメータの小ささが、クォーク質量行列の構造から自然に生じるのか？
• RQ4 最小限のSU(3)フラバー対称性モデルが、フラバーのパズルとQCDにおけるCP違反の不在の両方を説明できるか？
• RQ5 弱い相互作用における観測されたCP違反が、QCDのθパラメータの小ささを説明するのに十分か？

主な発見

• クォーク質量行列の構造について最小限の仮定をした場合、強いCP問題は標準模型内に存在しない。
• ヤコビ行列が最小フラバー構造によって制約されると、QCDにおける有効なθパラメータは自然に10^-10未満に抑制される。
• 強い相互作用におけるCP違反は、すでに観測されたフラバー構造によって固定済みのクォーク質量と混合角の相互作用によってのみ生じる。
• axion や新しいグローバル対称性といった新しい物理学は、強いCP問題を解決するために必要ではない。
• 最小限のSU(3)フラバー群に基づくモデルは、フラバーのパズルと強いCP問題の両方を一貫した枠組みで説明可能である。
• ヒッグス–ヤコビ系による弱い相互作用における観測されたCP違反は、質量行列の特定の構造のおかげで、QCDにおける大きなCP違反を生成できない。