[論文レビュー] Mirror fermions and the strong CP problem: A new axionless solution and experimental implications

P. Q. Hung|arXiv (Cornell University)|Dec 27, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、電弱-νRモデルを用いてアキソンを含まない強いCP問題の解決策を提案する。CP対称性の破れは複素ヤコビ係数によるものであり、それがスイープ機構によって自然に抑制される。有効なθパラメータ⟨θ̄⟩ < 10⁻¹⁰の小ささは、ディラック質量スケールとメジャノナ質量スケールの階層に起因し、LHCにおける長寿命なミラーフェルミオンが主要な実験的シグナルとなる。

ABSTRACT

A new solution to the strong CP problem with distinct experimental signatures (long-lived particles) at the LHC is proposed. It is based on the Yukawa interactions between mirror quarks, Standard Model (SM) quarks and Higgs singlets. (Mirror quarks and leptons which include non-sterile right-handed neutrinos whose Majorana masses are proportional to the electroweak scale, form the basis of the EW-$ν_R$ model.) The aforementioned Yukawa couplings can in general be complex and can contribute to $Arg\, Det M$ ($\barθ = θ_{QCD} + Arg\, Det M$) at tree-level. The model contains a Peccei-Quinn-type global symmetry which allows it to rotate away $θ_{QCD}$.The crux of matter in this manuscript is the fact that {\em no matter how large} the CP-violating phases in the Yukawa couplings might be, $Arg\, Det M$ can remain small i.e. $\barθ &lt; 10^{-10}$ for reasonable values of the Yukawa couplings and, in fact, vanishes when the VEV of the Higgs singlet (responsible for the Dirac part of the neutrino mass in the seesaw mechanism) vanishes. The smallness of the contribution to $\barθ$ is {\em principally due} to the smallness of the ratio of the two mass scales in the seesaw mechanism: the Dirac and Majorana mass scales.

研究の動機と目的

• アキソンを導入せずに強いCP問題を解決し、θ̄ < 10⁻¹⁰の微調整問題を解消すること。
• ヤコビ係数におけるCP対称性の破れ位相が、質量スケールの階層のおかげで有効なθパラメータに大きな寄与をしないことを示すこと。
• EW-νRモデル内での実験的に検証可能なシグナル（特に長寿命なミラーフェルミオン）を特定すること。
• スイープ機構が自然にArgDetMを抑制することを示し、小さなθ̄が小さなニュートリノ質量と関連することを示すこと。
• ニールスン＝ニノミヤ定理を回避し、lattice実装を可能にするSMゲージ群SU(3)×SU(2)×U(1)内での一貫した枠組みを提供すること。

提案手法

• ダイナミカルなアキソン場を必要とせず、木レベルでθQCDをゼロに回転可能なPeccei-Quinn型のglobal symmetryを導入する。
• SMクォーク、ミラークォーク、ヒッグスシングレット間のヤコビ係数結合を用いて、クォーク質量行列におけるCP対称性の破れ位相を生成する。
• ヒッグスシングレットの真空期待値vSを介してスイープ機構を適用し、mD ≪ MRとなる小さなディラック質量を生成することで、ArgDetMを抑制する。
• 上クォークおよび下クォークの4×4質量行列の対角化を仮定し、vSに比例する非対角項を介してSMとミラークォークの混合を記述する。
• vS → 0の極限でArgDetMが消えることを示し、現実的なヤコビ係数結合と質量階層のもとでもArgDetM < 10⁻¹⁰のまま保たれることを確認する。
• ヒッグスシングレットとの小さな結合から生じる長寿命性に起因し、ミラーフェルミオンのずれた頂点での崩壊を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アキソンを導入せず、対称性と質量スケールの階層に依存するだけで強いCP問題を解決できるか？
• RQ2 ヤコビ係数における大きなCP対称性の破れ位相があるにもかかわらず、ArgDetMへの寄与がなぜ小さいまま保たれるのか？
• RQ3 EW-νRモデルは、SMゲージ群内でのスイープ機構の実現に向け、実験的に検証可能な有効な枠組みを提供できるか？
• RQ4 このアキソンを含まない解決策がLHCでどのように実験的に特徴づけられるか？
• RQ5 スイープ機構はどのようにして有効なθパラメータを10⁻¹⁰未満に抑制するのか？

主な発見

• スイープ機構におけるディラック質量とメジャノナ質量のスケール比が小さいことにより、有効なθパラメータは10⁻¹⁰未満に保たれる。
• ヒッグスシングレットの真空期待値vS → 0の極限でArgDetMが消えるため、θ̄の小ささがスイープの階層に起因することを示している。
• このモデルは、長寿命なミラークォークおよびミラーレプトンを予測し、LHCにおけるずれた頂点での崩壊として特徴づけられる独自の実験的シグナルを提供する。
• θQCDをゼロに回転可能にするglobalなチャイラル対称性が導入されており、ダイナミカルなアキソン場を必要としない。
• EW-νRモデルは、アノマリー自由で一貫したSMゲージ群の拡張であり、ニールスン＝ニノミヤの禁断定理を回避できる。
• ヤコビ係数gSqおよびgSl < 10⁻⁴の制約が、観測可能な長寿命粒子の崩壊をもたらし、LHCのLLPコミュニティの探索活動と整合的である。