[論文レビュー] The Strong CP Problem and Axions

R. D. Peccei|Jul 24, 2006

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 42

ひとこと要約

この論文は、強いCP問題を解決するため、動的になくすCP違反真空角θ̄をもたらす全球的U(1)PQ対称性を導入することで、アキソン——軽量で弱く結合する擬スカラー粒子——の予測を提示する。主要な結果は、特にKSVZおよびDFSZモデルに属する見えないアキソンモデルが生存可能であり、宇宙論的・天体物理学的制約により、質量m_a ≥ 2.1×10⁻⁵ eVおよび衰減定数f_a ≤ 3×10¹¹ GeVの範囲で、冷たい暗黒物質を構成しうることである。

ABSTRACT

I describe how the QCD vacuum structure, necessary to resolve the $U(1)_A$ problem, predicts the presence of a P, T and CP violating term proportional to the vacuum angle $\barθ$. To agree with experimental bounds, however, this parameter must be very small $(\barθ \leq 10^{-9}$). After briefly discussing some possible other solutions to this, so-called, strong CP problem, I concentrate on the chiral solution proposed by Peccei and Quinn which has associated with it a light pseudoscalar particle, the axion. I discuss in detail the properties and dynamics of axions, focusing particularly on invisible axion models where axions are very light, very weakly coupled and very long-lived. Astrophysical and cosmological bounds on invisible axions are also briefly touched upon.

研究の動機と目的

• 強いCP問題を解消する。これは、CP違反が強い相互作用で観測されない限り、QCDの真空角θ̄が非常に小さく（≤10⁻⁹）ならなければならないという事実に起因する。
• 全球的U(1)PQ対称性を導入することで、動的解決策としてPeccei-Quinn機構を提案する。
• 非常に弱い結合と長い寿命を示すアキソン、特に見えないアキソンの性質と宇宙論的意味を分析する。
• アキソンの質量と衰減定数f_aに関する天体物理学的および宇宙論的制約を導出する。
• 宇宙における冷たい暗黒物質の候補としてのアキソンの妥当性を評価する。

提案手法

• QCDにおけるCP違反項θ̄を動的にキャンセルするため、全球的U(1)PQ対称性を導入し、アキソン場の平坦なポテンシャルを導く。
• チャーミカル異常を用いて、インスタントン効果により軸電流の発散が保存されないことを示し、作用にトポロジカル項を導入する。
• 巻き数nでラベル付けされたn真空の重ね合わせとしてθ真空を構成し、真空状態に位相因子e^{−inθ}を含める。
• U(1)PQの自発的対称性破れに関連するNambu-Goldstoneボソンとしてのアキソン場を導出し、質量m_a ∝ f_a⁻¹の関係を示す。
• 不整合化機構を適用する：T ∼ f_aのPQ転移時に、アキソン場は大きな初期値を獲得し、その後、最小値に向かって一様に振動を開始する。
• 宇宙論的エネルギー密度の計算を用い、アキソン生成と冷たい暗黒物質密度との関係を導出し、WMAPデータからのΩ_a h² ≤ 0.12という制約によりf_aおよびm_aの境界を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い相互作用においてCP違反が観測されないにもかかわらず、なぜQCDの真空角θ̄が非常に不自然に小さい（≤10⁻⁹）のか？
• RQ2 Peccei-Quinn機構は、U(1)_A問題をどのように動的に解決し、同時に強いCP問題を解消するのか？
• RQ3 KSVZおよびDFSZのような見えないアキソンモデルにおけるアキソンの性質と結合定数は何か？
• RQ4 星のエネルギー損失やSN1987aからのエネルギー損失といった天体物理学的観測は、アキソンの質量と衰減定数をどのように制約するか？
• RQ5 PQ転移時に生成されたアキソンの位相一様な振動は、宇宙における観測された冷たい暗黒物質密度を説明できるか？

主な発見

• Peccei-Quinn機構は、全球的U(1)PQ対称性を導入することで、CP違反項θ̄を動的にキャンセルし、アキソンをNambu-Goldstoneボソンとして導く。
• 見えないアキソンモデル（KSVZおよびDFSZ）は、主に星のエネルギー損失およびSN1987aからの制約により、質量m_a ≤ 10⁻³ eVのアキソンを予測する。
• WMAPデータからの宇宙論的制約により、アキソン質量の下限が得られる：m_a ≥ 2.1×10⁻⁵ eV、これはアキソンの衰減定数f_aの上限f_a ≤ 3×10¹¹ GeVに対応する。
• PQ転移後のアキソンの位相一様な振動は、宇宙のエネルギー密度に寄与し、Ω_a h² ∝ f_a^{7/6} θ_i²の関係を示す。f_a ≤ 3×10¹¹ GeVの範囲では、冷たい暗黒物質と整合的である。
• このモデルは、アキソンが冷たい暗黒物質の主要成分を占めうることを予測するが、その値がまさにこの条件を満たすようにf_aがとられる理由は明確でない。
• アキソンと光子の結合は抑制されており、KSVZではK_{aγγ} ≈ 4/3、DFSZではK_{aγγ} ≈ (4/3) × (4m_d + m_u)/(3(m_d + m_u))のようになるため、直接検出は困難である。