[논문 리뷰] Axion properties in GUTs

Anne Ernst, Luca Di Luzio외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 28인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 강한 CP 문제를 해결하고 현실적인 중성미온 질량 및 암흑물질을 생성하기 위해 Peccei-Quinn 대칭을 통합함으로써, 비초대칭 대통합이론(GUT)인 SO(10) 및 SU(5)에서 아키온 성질을 조사한다. 게이지 결합 통합과 천체물리적 제약 조건을 통해 아키온 질량과 결합 상수를 유도하며, SU(5) WGG+24F 모형에서 4.8–6.6 neV(조정이 허용될 경우 최대 330 neV)의 좁은 질량 창문을 발견한다. 이는 향후 ABRACADABRA 및 CASPEr-Electric와 같은 실험에 의해 탐지 가능하다.

ABSTRACT

We summarize recent studies of realistic nonsupersymmetric Grand Unified Theories (GUTs) extended with a global U(1)_PQ symmetry, so as to accommodate the axion solution to the strong CP problem. Aside from solving the CP problem and unifying the gauge structure of the SM, these models can also yield realistic spectra and mixings, including neutrino masses, and allowing for a consistent cosmological history that accounts for inflation, dark matter and baryogenesis. In our studies of SO(10) and SU(5) theories, we determined the mass and couplings of the axion in terms of the relevant threshold scales, and assessed how the former are constrained from the requirements of gauge coupling unification, proton decay searches and collider bounds. The axion mass ends up being rather constrained for GUT scale axions, particularly in the case of SU(5), and could be probed by upcoming dark matter experiments, such as ABRACADABRA and CASPEr-Electric.

연구 동기 및 목표

• 강한 CP 문제를 해결하기 위해 Peccei-Quinn(PQ) 대칭을 통합함으로써 비초대칭 GUT에서 아키온 질량을 제약하기.
• 게이지 결합 통합, 양성자 붕괴 제약 조건, 그리고 입자물리 실험 제약 조건이 아키온 질량의 좁은 창문을 예측할 수 있는지 평가하기.
• 향후 실험(예: ABRACADABRA 및 CASPEr-Electric)에서 탐지 가능한 아키온 암흑물질의 가능성 평가하기.
• 인플레이션, 비대칭성 생성, 진공 재정렬을 통한 암흑물질 생성을 포함한 이론 모형의 천체물리적 일관성 평가하기.
• PQ 대칭 붕괴 스케일이 GUT 스케일과 어떻게 관련되어 있으며, 이로 인해 아키온 결합 상수와 질량에 대해 예측 가능한 제약 조건이 유도되는지 규명하기.

제안 방법

• 강한 CP 문제의 아키온 해법을 실현하기 위해 전역 U(1)PQ 대칭을 포함한 SO(10) 및 SU(5) GUT 모형 구축하기.
• 게이지 결합 통합을 추적하고 PQ 대칭 붕괴 스케일에 대한 제약 조건을 도출하기 위해 재규격화군 분석 수행하기.
• 효과적 장 이론과 비구속 양정적(QCD) 추정을 통해 광자(gAγ) 및 핵자(gAD)와의 아키온 결합 상수 계산하기.
• 진공 재정렬 및 오차 이론 메커니즘을 통한 아키온 생성을 고려해 천체물리적 제약 조건을 적용하여 아키온 질량에 대한 상한 설정하기.
• Hyper-Kamiokande(HK)와 같은 실험에서의 양성자 붕괴 분해비율 및 제약 조건을 평가하여 아키온 질량에 대한 제약 설정하기.
• 향후 아키온 실험(ABRACADABRA, CASPEr-Electric)의 감도를 예측된 아키온 매개변수 공간에 적용하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전역 U(1)PQ 대칭을 포함한 SO(10) 및 SU(5) GUT 모형에서 예측되는 아키온 질량 범위는 무엇인가?
• RQ2 게이지 결합 통합 및 양성자 붕괴 제약 조건이 아키온 질량의 허용 가능한 매개변수 공간에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 이론적 통합 스케일을 기반으로 천체물리적 가정 없이도 아키온 질량을 독립적으로 제약할 수 있는가?
• RQ4 이러한 GUT 모형에서 광자 및 핵자와의 아키온 결합 상수는 어느 정도 정밀도로 예측할 수 있는가?
• RQ5 ABRACADABRA 또는 CASPEr-Electric 중 어떤 실험이 이론적으로 유용한 아키온 질량 창문을 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• SU(5) WGG+24F 모형에서 아키온 질량은 4.8–6.6 neV의 좁은 창문으로 제약되며, 허용 가능한 편향 조정이 허용될 경우 최대 330 neV까지 상한선이 설정된다.
• 이 모형에서 아키온 질량은 게이지 결합 통합에 의해 강하게 제약되며, 이는 경량 전자약력 트리플렛이 필요하고 PQ 스케일이 GUT 스케일에 상대적으로 고정됨을 의미한다.
• Hyper-Kamiokande(HK)의 예측 감도는 p → K+ ν̄ 채널에서 160 neV 이상의 아키온 질량을 배제할 수 있다.
• 이 모형에서 광자 및 핵자와의 아키온 결합 상수는 충분한 정밀도로 예측되어 ABRACADABRA 및 CASPEr-Electric에 의해 탐지 가능하며, 특히 선호되는 질량 영역에서 그러하다.
• CASPEr-Electric의 3단계(Phase III)는 선호되는 아키온 질량 창문을 탐지할 수 있으며, 선호되는 질량 영역에 대해 검색 전략을 최적화할 경우 감도가 3배 향상될 수 있다.
• SU(5) WGG+24F 모형은 하이퍼리프트(LHC) 및 HK에서의 직접 암흑물질 탐색과 간접 콜라이더 탐측을 통해 아키온 질량 창문을 완전히 탐색할 수 있다.