[論文レビュー] Axions and a Gauged Peccei-Quinn Symmetry

Hsin-Chia Cheng, David E. Kaplan|ArXiv.org|Mar 30, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 14

ひとこと要約

この論文は、5次元時空に2つのブレーンを持つ枠組みにおいて、ゲージ化されたU(1)_{PQ}を介して強いCP問題を解消するための自然なPeccei-Quinn対称性の実現を提案する。この対称性は、標準模型ブレーン上でのブレーン局在型ヒッグス機構により、偶然的なグローバル対称性として現れる。アキソンは、プランクスケールの物理から質量が保護された擬スネイク・ゴールドストーン粒子として生じ、モデルは約10^{10} GeVのスケールでSUSY破れとPQ対称性破れのスケールを統一し、妥当なダークマター候補とコライダー信号を提供する。

ABSTRACT

The axion solution to the strong CP problem requires an anomalous global U(1) symmetry. We show that the existence of such a symmetry is a natural consequence of an extra dimension in which a gauged U(1) is spontaneously broken on one of two branes, leaving an accidental global symmetry on the other brane. Depending on where the standard model matter lives, the resulting axion can be either the DFSZ or hadronic type. Gaugino-mediated supersymmetry breaking fits comfortably in our framework. In addition, we present a model in which the supersymmetry-breaking and Peccei-Quinn breaking scales are naturally of the same size.

研究の動機と目的

• 強いCP問題に対するアキソン解法におけるグローバルU(1)_{PQ}対称性の自然性問題に取り組む。
• アノマリーであり、量子重力効果によって破れる可能性があるPeccei-Quinn対称性が、なぜ低エネルギーで破れずに保たれるのかを説明する。
• 一貫性のある枠組みの中で、超対称性破れとPeccei-Quinn対称性破れのスケールを統一する。
• プランクスケールのオペレーターがアキソン質量を破壊するのを防ぐことで、微調整なしに強いCP問題を解消するモデルを構築する。
• モデルの構造から生じる、妥当なダークマター候補とコライダー信号を探索する。

提案手法

• 5次元時空に2つのブレーンを持つ枠組みで、ゲージ場をバルクに渡って伝播させる、ゲージ化されたU(1)_{PQ}対称性を実現する。
• 標準模型の場とヒッグス場を1つのブレーン（SMブレーン）に局在化させ、U(1)_{PQ}に荷電する場を別の隠れたブレーンに局在化させる。
• 両ブレーンでヒッグス機構によりU(1)_{PQ}ゲージ対称性を破り、ナムブ・ゴールドストーンモードを生成する。
• 物理的アキソンは、SMブレーン上での未破れの偶然的グローバル対称性から生じる質量ゼロモードとして現れる。
• ブレーン間を媒介する軽いバルク場が存在しないようにすることで、プランクスケールのオペレーターを抑制し、アキソン質量を保護する。
• コンact化スケールとブレーン局在型ソフト項を用いて、自然にPQ破れとSUSY破れのスケールを約10^{10} GeVに生成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲージ化されたU(1)_{PQ}を持つ高次元理論において、グローバルPeccei-Quinn対称性が自然に現えるか。
• RQ2 プランクスケールのオペレーターがアキソン質量を破壊するのを防ぐには、どのようにすればよいか。
• RQ3 Peccei-Quinn対称性破れスケールと超対称性破れスケールを、一貫した枠組みの中で自然に統一できるか。
• RQ4 このようなモデルのコライダーおよびダークマター探索における物性的シグナルは何か。
• RQ5 モデルの構造がR対称性の保存と最軽い超対称粒子の安定性をどのように保証するか。

主な発見

• アキソンは、ブレーン間を結ぶ軽いバルク場が存在しないことにより、SMブレーン上での偶然的グローバル対称性から生じる擬スネイク・ゴールドストーン粒子として現れ、その質量が保護されている。
• コンパクト化長が mL ≈ 32 を満たすとき、PQ破れスケールとSUSY破れスケールが自然に約10^{10} GeVに統一される。
• SM物質の局在化位置に応じて、DFSZ型とハドロン型アキソンの両方の状況を実現可能とし、アキソン-光子結合定数は f_{PQ} ~ 10^{12} GeV で抑制される。
• U(1)_{PQ}荷電の割り当てによりR対称性が自動的に保存され、すべてのSMスーパーフィールドが+1の荷電を持ち、偶数荷電の場のみが対称性を破る。
• アキシノに加え、超重いベクトル型のクォークおよびレプトンも、冷たいダークマター候補として妥当であり、長寿命な電荷を帯びたスレプトンは検出器で高イオン化トラックを生成する可能性がある。
• 特にゲージ子媒介SUSY破れのシナリオでは、長寿命な次に軽い超対称粒子がアキシノに崩壊する、劇的で特徴的なコライダー信号を予測する。