[論文レビュー] QCD, Strong CP and Axions

R. D. Peccei|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 1996

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、量子色力学（QCD）における強いCP問題をレビューし、仮説的な粒子たるアキソンがPeccei-Quinn対称性を介して動的解決をもたらす仕組みを説明する。アキソンの性質、宇宙論的・天体物理学的影響、実験的探索の状況を詳細に記述し、可視アキソンモデルに対しては制約が強いものの、非常に軽く弱く結合する非可視アキソンモデルは依然として妥当であると結論づけている。

ABSTRACT

The physical origin of the strong CP problem in QCD, rooted in the structures of the vacuum of the standard model, is reviewed. The chiral solution to this problem, with its accompanying axion, is explained and various characteristics of axions are detailed. Although visible axion models are excluded experimentally, models with very light and very weakly coupled axions are still tenable. The astrophysical and cosmological implications of such axion models are discussed, along with ongoing experimental attempts to detect such, so called, invisible axions.

研究の動機と目的

• 標準模型の真空構造に由来するQCDにおける強いCP問題の物理的起源をレビューすること。
• Peccei-Quinn対称性を介した手動的キャンセレーションにより強いCP問題を解消するチャイラル解法と、その結果生じるアキソンを説明すること。
• 特に非可視アキソンモデルを対象として、アキソンの性質と素粒子物理学的現象論を分析すること。
• 軽く弱く結合するアキソンが宇宙論的・天体物理学的にもたらす影響を評価すること。
• 非可視アキソンを検出するための現在の実験的取り組みを要約すること。

提案手法

• 論文は、有効場理論と異常キャンセレーション技術を用いて、QCDの真空構造と強いCP問題を分析する。
• Peccei-QuinnのU(1)対称性が、QCDにおけるCP違反項θを動的にキャンセルするメカニズムとして導入される。
• アキソンは、Peccei-Quinn対称性の自発的破れに関連するNambu-Goldstone粒子として現れる。
• アキソンが光子およびグルーオンとどのように結合するかを導出し、強いCP問題の解決におけるその役割を示す。
• 初期宇宙におけるアキソン生成メカニズム（ミスアライメントおよび熱的生成）を評価する。
• 天体観測および実験室での制約を検討し、非可視アキソンモデルの妥当性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強いCP問題はQCDにおいてどのように生じるのか。標準模型の真空構造からどのように生じるのか。
• RQ2 Peccei-Quinn対称性は、アキソンを介してどのように強いCP問題を動的に解消するのか。
• RQ3 軽く弱く結合するアキソンの主な宇宙論的・天体物理学的シグネチャとは何か。
• RQ4 可視アキソンモデルと非可視アキソンモデルの間で、実験的制約はどのように異なるのか。
• RQ5 現在および将来の実験で、非可視アキソンを検出する可能性はどの程度か。

主な発見

• 強いCP問題は、QCDの非自明な真空構造に起因し、潜在的に大きなCP違反項を生じる。
• Peccei-Quinn対称性により、CP違反項θが動的にキャンセルされ、アキソンは強いCP問題の自然な解決策となる。
• アキソンは極めて軽量（通常1 eV未塔）であり、光子および核子と弱く結合すると予測される。
• 可視アキソンモデルは実験的に除外されているが、非常に弱い結合を持つ非可視アキソンモデルは依然として妥当である。
• ミスアライメントメカニズムによる初期宇宙におけるアキソン生成は、アキソン質量がマイクロエレクトロンボルトからミリエレクトロンボルトの範囲にある場合、暗黒物質密度を説明できる。
• マイクロ波キャビティ検出器を用いた実験が、磁場内でのアキソンから光子への変換を積極的に探索している。