[論文レビュー] Superheavy Light Quarks and the Strong P, T Problem

Frank Wilczek, Guy D. Moore|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、新しい超強力なゲージ相互作用（G）によって閉じ込められる、有効質量ゼロのフェルミオン（『クリプトクォーク』）を用いて、強いCP問題を解決する新しい解決策を提案する。このGは手術的対称性を破らない。Gの異常構造と関連する位相的力学を活用することで、基本スカラー場を導入することなくQCDオクソニウムを生成し、Gのスケールに関連するダイナミカルなメカニズムによってCP違反パラメータθの小ささを自然に説明する。

ABSTRACT

New superstrong forces, analogous to QCD but featuring a larger mass scale, should they exist, would offer new possibilities for addressing the strong P, T, problem. One can implement the "massless quark" solution in a phenomenologically acceptable way, by using a massless quark that is always confined within superheavy particles, and is therefore effectively superheavy: a cryptoquark. Assuming confinement and chiral symmetry breaking from the superstrong dynamics, we find a new mechanism to generate an axion field without introducing new fundamental scalar fields.

研究の動機と目的

• 標準オクソニウム解法を超えた新しいメカニズムを導入することで、QCDのθパラメータの不自然に小さい値である強いP、T問題を解決すること。
• 質量ゼロのクォークが閉じ込められ、結果として有効的に超重い（クリプトクォーク）ものとして機能する場合、強いCP問題の有効な解決策として機能しうるかを検討すること。
• 基本スカラー場を必要とせず、また微調整を要しない条件下で、新しい超強力相互作用GからQCDに類似したオクソニウムがダイナミカルに生成されることを示すこと。
• オクソニウムの質量スケールがGのダイナミカルスケールによって決定され、高スケールで物理的に妥当なオクソニウム候補が得られることを示すこと。

提案手法

• 質量スケールΛ_G ≫ Λ_QCDである新しい超強力なゲージ群Gを導入し、GおよびSU(3)_cの量子数を持つ質量ゼロのフェルミオン（クリプトクォーク）を閉じ込める。
• GがSU(3)_cの下で持つ異常構造を活用して、位相的項∝ θ' ∫F ∧ F を生成し、Nambu-Goldstoneのメカニズムによってダイナミカルなオクソニウムを生成する。
• 2つのベクトル型U(1)対称性（クリプトバリオン数のため）を導入し、Peccei-Quinn対称性を持つスカラー場φ_Q、φ_Sを導入して、自発的対称性の破れを引き起こす。
• ビネアリの凝縮⟨Q̄_L Q_R⟩および⟨S̄_L S_R⟩がφ_Qおよびφ_Sの真空期待値を誘導し、その結果、Λ_Gによってスケールが設定されたダイナミカルなオクソニウムが得られることを示す。
• 得られたオクソニウム場が、Gの残余U_A(1)異常から生じることを示し、これは位相的でありインスタントン効果に関連している。
• オクソニウムが安定であり、グルーオンと結合しており、その質量がGのダイナミクスによって決定されることを証明する。この質量は、明示的なスカラー質量に依存しない。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 新しい超強力な相互作用を用いることで、基本スカラー場を導入せずに強いCP問題を解決できるか？
• RQ2 手術的対称性を保存する閉じ込められたゲージ理論から、どのようにダイナミカルなオクソニウムが生成されるか？
• RQ3 質量ゼロだが閉じ込められたフェルミオン（クリプトクォーク）が、θパラメータ問題に対する自然な解決策をどのように生成するか？
• RQ4 オクソニウムの質量スケールがΛ_QCDではなく新しい物理スケールΛ_Gによって設定されうるか？その物性的結果は何か？
• RQ5 モデルが単一のオクソニウムまたは複数のオクソニウム様粒子を生成する条件は何か？それらの結合定数はどのように異なるか？

主な発見

• 基本スカラー場を必要とせず、代わりに新しい超強力なゲージ群Gの異常構造に依存するQCDオクソニウム生成の新しいメカニズムが提案された。
• オクソニウムは、GがSU(3)_cの下で持つ残余異常に関連するU(1)対称性の自発的対称性の破れから生じるNambu-Goldstone粒子であり、その質量スケールはΛ_Gによって設定される。
• φ_Qおよびφ_Sが真空期待値をとる場合、得られるオクソニウムの質量はΛ_Gに依存し、数百GeVの範囲に達する可能性がある。
• オクソニウムのグルーオンへの結合はGのダイナミクスに依存し、明示的な結合に依存しない。また、クリプトバリオン数の保存によりオクソニウムは安定である。
• このメカニズムにより、有効なθパラメータ|θ| < 10⁻¹⁰が自然に抑制され、実験的制約と整合的であり、微調整を要しない。
• このモデルは低エネルギー超対称性およびグランドユニフィケーションと整合しており、Gハドロンの高エネルギー生成や特異な崩壊によって検証可能である。