[論文レビュー] Strong-$CP$ with and without gravity

Gia Dvali|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、強いCP問題が便宜的なU(1)_{PQ}対称性ではなく、QCDの Chern-Simons 3形式に結合する2形式場 $ B_{\mu\nu} $ として実現されるゲージ理論的アクシオンによって解決されると提案する。このメカニズムにより、$ \bar{\vartheta} $ がすべてのオーダーで正確にキャンセルされ、重力がS行列の整合性によってこのメカニズムを強制することで、UV変形から保護された正確なCP保存が実現される。

ABSTRACT

Conventionally, the strong-$CP$ problem is assumed to be a naturalness puzzle, with the axion solution sometimes viewed as an ad hoc fix. Gravity is either ignored or taken as a threat for the global Peccei-Quinn symmetry. We explain that the situation is fundamentally different. In gravity, axion is a matter of consistency imposed by the $S$-matrix: Each gauge sector must include axion with exact relaxation of the corresponding $\barθ$. We show that this favors an alternative and remarkably simple formulation of the axion, fully fixed by the gauge redundancy of QCD, without involvement of a global symmetry. The axion mechanism is a Higgs effect for the QCD $3$-form, ensuring that physics is independent of $\barθ$ to all orders in operator expansion. A near-future experimental detection of the neutron EDM will be an unambiguous signal of $CP$-violating physics beyond the Standard Model. The axion coupling is tied to the scale of gravity.

研究の動機と目的

• 強いCP問題を自然性のパズルとしてではなく、量子重力の整合性要請として解決すること。
• アクシオンメカニズムが便宜的な修正ではなく、QCDにおけるゲージ冗長性の結果であることを示すこと。
• グローバルな対称性を含まない $ B_{\mu\nu} $-アクシオン形式が、オペレーター展開のすべてのオーダーで正確に $ \bar{\vartheta} = 0 $ を保証すること。
• 重力のS行列形式が $ \vartheta $-真空の不在を要求し、アクシオンの緩和を必然化すること。
• ゲージ保護のおかげで、重力的およびUV誘発変形に対して安定であるアクシオンメカニズムであること。

提案手法

• アクシオンをQCDゲージ電荷を持つゲージ2形式 $ B_{\mu\nu} $ として定式化し、グローバルな $ U(1)_{PQ} $ 対称性に置き換える。
• QCDのChern-Simons 3形式が $ B_{\mu\nu} $-アクシオンを吸収することで質量を獲得するヒッグスに類似したメカニズムを実装する。
• 量子重力のS行列形式を用いて、非 degenerate $ \vartheta $-真空は整合性に反するとして、正確な $ \bar{\vartheta} $ の緩和を要求する。
• ゲージ冗長性が、重力的オペレーターを含む任意の局所的オペレーターからアクシオンメカニズムを保護することを示す。
• $ B_{\mu\nu} $-理論を擬スカラーのアクシオン $ a $ に双対化するが、ゲージ構造を符号化する統合定数を保持し、保護を保証する。
• ヒッグス効果のおかげで真空の位相的感受性が消失し、$ \bar{\vartheta} $ が物理的でなくなることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ重力は1つのゲージセクターごとにアクシオンの存在を要求するのか。これは標準的な自然性に基づく視点とはどのように異なるか？
• RQ2 グローバルな対称性に依存せず、なぜアクシオンメカニズムは正確で、UVおよび重力的効果から保護されるのか？
• RQ3 $ B_{\mu\nu} $ 2形式場が、オペレーター展開のすべてのオーダーで $ \bar{\vartheta} = 0 $ を保証する役割を果たすのか？
• RQ4 重力のS行列形式が $ \vartheta $-真空を排除し、アクシオンの緩和を強制する仕組みは何か？
• RQ5 $ B_{\mu\nu} $-アクシオン形式は、グローバルな $ U(1)_{PQ} $ 対称性を持つ標準的Peccei-Quinnモデルと比べて、なぜより予測可能なのか？

主な発見

• アクシオンメカニズムは便宜的な修正ではなく、S行列形式によって強制される量子重力の整合性要請である。
• $ B_{\mu\nu} $-アクシオン形式は、ゲージ冗長性のおかげで、オペレーター展開のすべてのオーダーで正確に $ \bar{\vartheta} = 0 $ を保証する。
• QCDのChern-Simons 3形式が $ B_{\mu\nu} $ とのヒッグスに類似したメカニズムによって質量を獲得するため、真空の位相的感受性が消失する。
• ゲージ保護のおかげで、アクシオンメカニズムは重力的効果、特に仮想ブラックホールに対しても安定である。
• 理論は、中性子電気電離モーメントにおけるQCD寄与が正確にゼロであると予測する。したがって、将来的な測定で非ゼロが観測された場合、それはQCDおよび弱い相互作用を超える新しい物理の兆候である。
• $ \vartheta $-真空が重力に存在しないことは、重力の位相的感受性も消失する必要があることを示唆し、これは第二のアクシオンまたはカイラルフェルミオンによるキャンセレーションを要請する可能性がある。