[論文レビュー] Axion-Photon Coupling Revisited

Jing Sun, Xiao-Gang He|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、物理的アキソン成分を明確に分離するようにアキソン基底を再定義することで、元来物理的でないPQ対称性生成子に依存していた従来の手法の誤りを是正する。ヒッグス成分の割合を考慮に入れることで、非DFSZアキソンモデルにおける$g_{a\gamma}$のパラメータ空間が拡張され、過去の推定値に見られた不一致が解消され、天体物理学的観測からの制約が改善される。

ABSTRACT

Among many possibilities, solar axion has been proposed to explain the electronic recoil event excess observed by Xenon1T collaboration, although it has tension with astrophysical observations. The axion couplings, $g_{a\gamma}$, $g_{ae}$ to photon and electron play important roles. The coupling $g_{a\gamma}$ is related to the Peccei-Qiunn (PQ) charges $X_f$ for fermions. In most of the calculations, it is obtained by normalizing to the ratio of QCD anomaly factor $N = TrX_q T(q)$ ($T(q)$ is quarks' $SU(3)_c$ index) and electromagnetic anomaly factor $E = TrX_f Q^2_f N_c$ ($N_c$ is 3 and 1 for quarks and charged leptons respectively). The broken PQ symmetry generator is used in the calculation which does not extract out the component of broken generator in the axion which is ``eaten'' by the $Z$ boson. This accidentally gives the correct results using the physical component of axion due to particle representations in the DFSZ (standard ones), but not in general cases. The basis where physical axion is identified is a more convenient one to use. The fraction of each involved Higgs bosons in axion matters. This leads to a wider parameter space for $g_{a\gamma}$ in beyond the standard DFSZ axion.

研究の動機と目的

• Peccei-Quinn対称性の破れ生成子の不適切な取り扱いに起因するアキソン-光子結合の計算における不整合を解消すること。
• 物理的アキソン成分ではなく破れたPQ生成子を誤って使用してしまう標準的手法による$g_{a\gamma}$の計算方法を是正すること。
• 物理的アキソン状態をヒッグス場の線形結合として特定し、DFSZを越える一般モデルにおける$g_{a\gamma}$の正確な計算を可能にすること。
• アキソン波動関数内のヒッグス成分の割合を適切に考慮することで、$g_{a\gamma}$の有効なパラメータ空間を拡大すること。
• 物理的アキソンが明示的に分離された基底で結合を計算することで、天体物理学的制約との整合性を高めること。

提案手法

• 自発的対称性の破れ後に質量固有状態として物理的アキソンが明示的に特定される基底でアキソン状態を再定式化すること。
• アキソンを、基礎となる場の混合角および hypercharges によって定まる係数を持つヒッグス場の線形結合として表現すること。
• 異常ベースの正規化における誤ったキャンセレーションを避けるために、$g_{a\gamma}$ を物理的アキソン成分を用いて計算すること。
• 物理的基底で用いるPQ chargesのトレース$X_f$および異常係数$N = \mathrm{Tr}\, X_q T(q)$、$E = \mathrm{Tr}\, X_f Q_f^2 N_c$ を用いて$g_{a\gamma}$を導出すること。
• 各ヒッグスボソンが物理的アキソン状態に占める割合を考慮に入れることで、標準的DFSZモデルを超えた有効結合定数が変化することを示すこと。
• 従来の手法が、特定の表現構造のおかげでDFSZに類似したモデルでは正しく機能するが、一般には失敗することを示すこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 基底の選択、特に物理的アキソンと破れたPQ生成子の違いが$g_{a\gamma}$の計算にどのように影響するか？
• RQ2 非DFSZモデルにおける有効アキソン-光子結合を決定づけるヒッグス成分の割合の役割は何か？
• RQ3 なぜ標準的な異常ベース正規化手法はDFSZモデルでは正しく機能するが、一般状況では失敗するのか？
• RQ4 物理的アキソンの構成が$g_{a\gamma}$の許容可能なパラメータ空間にどのように影響するか？
• RQ5 修正された形式がXenon1Tの過剰反応と天体物理学的制約の調和に与える影響は何か？

主な発見

• 破れたPQ生成子を用いた$g_{a\gamma}$の標準的計算手法は、特定の表現性質のおかげでDFSZに類似したモデルでのみ正しく機能するが、一般には誤りである。
• 物理的アキソンはPQ生成子と一致しない。代わりに、モデルのヒッグス内容に依存する混合角に依存するヒッグス場の重ね合わせである。
• 物理的アキソン成分を適切に特定することで、DFSZフレームワークを超えるモデルにおける$g_{a\gamma}$のパラメータ空間が拡張される。
• 物理的アキソン状態内の各ヒッグスボソンの割合が、有効$g_{a\gamma}$結合定数を直接変化させ、一般状況では単純な異常ベース正規化が無効になる。
• この再分析により、以前に考慮されていなかった結合定数の新たな値を許容することで、Xenon1Tの過剰反応と天体物理学的制約の間の矛盾が解消される。