[論文レビュー] Axion properties in GUTs

Anne Ernst, Luca Di Luzio+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 28被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、強いCP問題を解消し、現実的なニュートリノ質量とダークマターを生成するために、Peccei-Quinn対称性を埋め込むことで、非超対称なグランドユニフィケーション理論（GUT）におけるアキソンの性質を調査する。ゲージ結合定数の統一と宇宙論的制約からアキソン質量と結合定数を導出し、SU(5) WGG+24Fモデルでは4.8–6.6 neV（調整を許容すれば最大330 neV）の狭い質量窓が得られ、これは近い将来の実験（ABRACADABRAやCASPEr-Electric）で探査可能である。

ABSTRACT

We summarize recent studies of realistic nonsupersymmetric Grand Unified Theories (GUTs) extended with a global U(1)_PQ symmetry, so as to accommodate the axion solution to the strong CP problem. Aside from solving the CP problem and unifying the gauge structure of the SM, these models can also yield realistic spectra and mixings, including neutrino masses, and allowing for a consistent cosmological history that accounts for inflation, dark matter and baryogenesis. In our studies of SO(10) and SU(5) theories, we determined the mass and couplings of the axion in terms of the relevant threshold scales, and assessed how the former are constrained from the requirements of gauge coupling unification, proton decay searches and collider bounds. The axion mass ends up being rather constrained for GUT scale axions, particularly in the case of SU(5), and could be probed by upcoming dark matter experiments, such as ABRACADABRA and CASPEr-Electric.

研究の動機と目的

• 強いCP問題を解消するため、Peccei-Quinn（PQ）対称性を埋め込むことで、非超対称GUTにおけるアキソン質量を制約すること。
• ゲージ結合定数の統一、プロトン崩壊の制約、およびコライダーの制約が、狭いアキソン質量窓を予測できるかを評価すること。
• アキソンダークマターの妥当性と、ABRACADABRAやCASPEr-Electricなどの近い将来の実験での検出可能性を評価すること。
• インフレーション、バリオジェネシス、および真空再配分によるダークマター生成を含む、これらのモデルの宇宙論的整合性を検討すること。
• PQ対称性の破れスケールがGUTスケールとどのように関係するかを特定し、アキソン結合定数と質量に対する予測可能な制約が得られるかを同定すること。

提案手法

• 強いCP問題のアキソン解を実現するため、グローバルU(1)PQ対称性を備えたSO(10)およびSU(5) GUTモデルを構築すること。
• ゲージ結合定数の統一を追跡し、PQ対称性の破れスケールに関する制約を導出するためのローレンツ群解析を実施すること。
• 有効場理論と非摂動的QCD推定を用いて、アキソンの光子（gAγ）および核子（gAD）への結合定数を計算すること。
• 真空再配分およびミスアライメント機構によるアキソン生成を含む宇宙論的制約を適用し、アキソン質量の上限を設定すること。
• Hyper-Kamiokande（HK）などの実験からのプロトン崩壊の分岐比と制約を評価し、アキソン質量の制限を求める。
• 近い将来のアキソン実験（ABRACADABRA、CASPEr-Electric）の感度を、予測されたアキソンパラメータ空間に適用すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SO(10)およびSU(5) GUTにグローバルU(1)PQ対称性を拡張した場合、予測されるアキソン質量範囲は何か？
• RQ2 ゲージ結合定数の統一とプロトン崩壊の制約が、アキソン質量の許容されるパラメータ空間にどのように影響を与えるか？
• RQ3 理論的統一スケールに基づいて、宇宙論的仮定を除いてもアキソン質量を独立に制約できるか？
• RQ4 これらのGUTモデルにおいて、アキソンの光子および核子への結合定数はどの程度の精度で予測可能か？
• RQ5 ABRACADABRAとCASPEr-Electricのどちらの実験が、理論的に動機付けられたアキソン質量窓を探査できるか？

主な発見

• SU(5) WGG+24Fモデルでは、アキソン質量が4.8–6.6 neVの狭い窓に制約され、フェルミオン混合行列の調整を許容すれば最大330 neVまで上昇する。
• このモデルにおけるアキソン質量は、ゲージ結合定数の統一によって強く制約されており、軽い電弱トリプレットの存在が必須であり、PQスケールがGUTスケールに対して固定される。
• Hyper-Kamiokande（HK）のプロトン崩壊測定は、p → K+ ν̄ チャネルで160 neVを超えるアキソン質量を排除できる可能性がある。
• アキソンの光子および核子への結合定数は、十分な精度で予測可能であり、特に好ましい質量領域ではABRACADABRAおよびCASPEr-Electricで探査可能である。
• CASPEr-ElectricのフェーズIIIでは、好ましい質量窓を探索可能であり、最適化された探索により感度が3倍向上する可能性がある。
• SU(5) WGG+24Fモデルでは、HL-LHCおよびHKでの直接的ダークマター探索と間接的加速器プローブの両方を用いて、アキソン質量窓を完全に探索可能である。