[論文レビュー] Heavy QCD Axion in $b o s$ transition: Enhanced Limits and Projections

Sabyasachi Chakraborty, Manfred Kraus+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 78被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、$ m_a \gtrsim 10~\text{MeV} $ および $ f_a \sim \text{TeV} $ である重いQCDアクシオン——強いCP問題の解決策——を調査する。主な結合は $ aG\tilde{G} $ である。$ b \to s $ 遷移における2ループ計算を通じて、既存の $ f_a $ の制限が最大で1桁分強化され、Belle IIが $ f_a \sim \text{数 TeV} $ を探査可能であると予測する。これはアクシオンの品質問題を解決するものである。

ABSTRACT

We study a "heavy" QCD axion whose coupling to the standard model is dominated by $a G \widetilde{G}$ but with $m_a \gg m_πf_π/ f_a$. This is well motivated as it can solve the strong CP problem while evading the axion quality problem. It also poses interesting challenges for its experimental search due to its suppressed couplings to photons and leptons. Such axion with mass around a GeV is kinematically inaccessible or poorly constrained by most experimental probes except B-factories. We study $B o K a$ transitions as a powerful probe of the heavy QCD axion by performing necessary 2-loop calculations for the first time, together with some improvement on the existing analysis strategy. We find some of the existing limits are enhanced by at least an order of magnitude. We also demonstrate that the bounds are robust against unknown UV physics. For forthcoming data sets of the Belle II experiment, we provide a projection that $f_a$ of a few TeV is within its future reach, which is relevant to the quality problem.

研究の動機と目的

• 重いQCDアクシオンのフェノメノロジーを調査すること。$ m_a \gtrsim 10~\text{MeV} $ および $ f_a \sim \text{TeV} $ であり、標準的制限を回避するが、主に $ aG\tilde{G} $ を介して結合する。
• 量子重力効果がアクシオン解を破壊する可能性があるため、$ f_a \lesssim 10~\text{TeV} $ を考慮することでアクシオンの品質問題に対処すること。
• これまであまり利用されていなかった $ B \to K a $ 衰えを分析することで、このようなアクシオンに対する実験的感度を向上させること。
• 高エネルギー物理学の未知のUV物理学に対する境界の頑健性を、ランゲル・グローバル解析を通じて示すこと。
• Belle II実験の将来の感度を予測し、$ f_a \sim \text{数 TeV} $ に達する可能性を示すこと。これは品質問題の解決に直接関連する。

提案手法

• QCDおよび電弱補正を含む、$ b \to s a $ 遷移におけるウィルソン係数を計算するため、有効場理論フレームワーク内で2ループマッチング計算を実施する。
• ランゲル・グローバル方程式（RGE）を用いて、UVスケール $ \Lambda_{\text{UV}} \sim M_W $ から $ \mu \sim m_b $ までウィルソン係数を発展させ、$ \alpha_s $、$ y_t $、$ V_{ts} $ のランニングを組み込む。
• $ \overline{\text{MS}} $ スキームを用い、次元正則化を適用し、ループ積分全体にわたり $ \gamma_5 $ およびリーマン・チビタテンソルを一貫して取り扱う。
• スケール $ \mu \sim M_W $ におけるマッチング条件を導出し、トップクォークおよび $ W $ ボソンを積み上げて、$ \mathcal{O}_1 = a G\tilde{G} $ を含む有効ハミルトニアンにマッチングする。
• $ B \to K a $ の崩壊断面積を計算し、ペンギンおよびペンギンボックスの寄与を含む。ブランチング比を評価する。
• 既知の1ループマッチング関数との整合性を検証し、特に $ \gamma_5 $ の取り扱いにおけるスキーム依存性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2ループQCDおよび電弱補正は、$ b \to s $ 遷移における $ aG\tilde{G} $ 演算子のウィルソン係数にどのように影響するか？
• RQ2 2ループ補正および改善された解析戦略を組み込むことで、重いQCDアクシオンに対する既存の実験的制限はどの程度強化されるか？
• RQ3 アクシオンの品質問題の文脈において、未知のUV物理学に対する導出された境界はどの程度頑健か？
• RQ4 Belle II実験は、重いQCDアクシオンのシナリオにおいて、アクシオン崩壊定数 $ f_a $ についてどの程度の感度を達成すると予想されるか？
• RQ5 $ B \to K a $ 衰えは、$ m_a \gtrsim 10~\text{MeV} $ および $ f_a \sim \text{TeV} $ の重いQCDアクシオンを効果的に探査できるか？

主な発見

• 2ループ補正を組み込むことで、$ f_a $ の既存の実験的制限は、特に $ m_a \sim 100~\text{MeV} $ から $ 1~\text{GeV} $ の範囲で、最低でも1桁分強化される。
• RGEを用いたマッチング手順の整合性から、未知のUV物理学に対する $ f_a $ の境界が頑健であることが確認された。
• Belle II実験では、$ f_a \sim \text{数 TeV} $ の感度が予測され、これはアクシオンの品質問題を解消する上で直接関連する。
• $ B \to K a $ のブランチング比は $ f_a $ に敏感であり、主な寄与は $ aG\tilde{G} $ 演算子から来る。QCD補正により振幅は強化される。
• 2ループ計算により、特に $ \gamma_5 $ およびテンソル構造の取り扱いにおいて、以前の1ループ解析との不一致が解消され、ウィルソン係数のより正確な決定が可能になった。