[論文レビュー] Domestic Axion

Gia Dvali, Lena Funcke|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 20被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、標準模型（SM）フェルミオンから完全に生じる複合軸子モデルを提案する。軸子は主にη′メソンであり、小さなニュートリノ双線形成分（ηᵤ）を含む。Peccei-Quinn対称性は、QCDおよびニュートリノ凝縮によって自発的に破れ、ニュートリノ凝縮が複合ヒッグスとして機能することで上クォーク質量が生成され、強いCP問題が解決される。重力異常から軸子のスフィフト対称性が保護される。このモデルは、サブミクロンスケールでの核子間の新しい同位体依存性の引力を予測する。

ABSTRACT

We attempt to identify a phenomenologically viable solution to the strong $CP$ problem in which the axion is composed entirely out of Standard Model fermion species. The axion consists predominantly of the $\eta'$ meson with a minuscule admixture of a pseudoscalar bilinear composite of neutrinos, $\eta_{ u}$. The Peccei-Quinn symmetry is an axial symmetry that acts on the up quark and the neutrino species and is spontaneously broken by the QCD condensate of quarks as well as the condensate of neutrinos triggered by chiral gravitational anomaly. The up-quark mass is spontaneously generated by the neutrino condensate which plays the role of an additional composite Higgs doublet with the compositeness scale of the order of the neutrino masses. Such a scenario is highly economical: it solves the strong $CP$ problem, generates the up-quark and neutrino masses from fermion condensates and simultaneously protects the axion shift symmetry against gravitational anomaly. The phenomenology is different from the standard hidden axion case. One of the experimental signatures is the existence of a gravity-competing isotope-dependent attractive force among nucleons at (sub)micron distances.

研究の動機と目的

• 標準模型（SM）フェルミオンのみを用いて強いCP問題を解決し、SMを超える新しい粒子を導入しないこと。
• ニュートリノ凝縮を介して上クォーク質量を生成し、基本的なヒッグスダブルレットを置き換えること。
• 複合ヒッグスに類似したメカニズムにより、重力異常から軸子のスフィフト対称性を保護すること。
• 新しい実験的シグネチャを予測すること：サブミクロンスケールでの同位体依存性の引力。

提案手法

• 上クォークおよびニュートリノに作用するPeccei-Quinn軸対称性を導入し、QCDおよびニュートリノ凝縮によって自発的に破る。
• 軸子を、主にη′メソンで構成され、ニュートリノから形成される擬スカラー双線形複合状態ηᵤがわずかに混合された状態としてモデル化する。
• 手術的重力異常を用いてニュートリノ凝縮を誘発し、これにより複合ヒッグス機構を通じて上クォーク質量が生成されることを示す。
• 複合凝縮の構造のおかげで、軸子のスフィフト対称性が重力異常から破れないように保証する。
• 有効な低エネルギーラグランジアンを導出し、軸子の結合およびそれらに起因する核子-核子相互作用を分析する。
• 導出された結合を用いて、サブミクロンスケールでの軸子交換によって媒介される同位体依存性核子間力の計算を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 新しい基本的スカラーを導入せずに、標準模型（SM）フェルミオンのみを用いて強いCP問題を解決できるか？
• RQ2 ニュートリノ凝縮を通じて、軸子理論と整合する形で上クォーク質量を動的に生成できるか？
• RQ3 複合軸子モデルにおいて、軸子のスフィフト対称性はどのように重力異常から保護されるか？
• RQ4 このような複合軸子状況から、どのような新しい実験的シグネチャが生じるか？
• RQ5 サブミクロンスケールでの軸子交換によって媒介される核子-核子力の性質と強度は何か？

主な発見

• 軸子は主にη′メソンであり、ニュートリノから形成される擬スカラー双線形複合状態ηᵤがわずかに混合されている。
• 上クォーク質量はニュートリノ凝縮によって生成され、これはコンポジットヒッグスダブルレットとして機能し、コンポジット性スケールがニュートリノ質量スケール付近にある。
• Peccei-Quinn対称性はQCDおよびニュートリノ凝縮の両方によって自発的に破れ、軸子解が強いCP問題を解決する。
• 複合凝縮の構造のおかげで、軸子のスフィフト対称性が重力異常から保護されている。
• サブミクロンスケールでの核子間の新しい同位体依存性の引力が、軸子交換によって予測される。
• このモデルは極めて経済的であり、上クォーク質量の生成、軸子のダイナミクス、異常保護を1つの複合フレームワーク内で統合している。