[논문 리뷰] Axions and a Gauged Peccei-Quinn Symmetry

Hsin-Chia Cheng, David E. Kaplan|ArXiv.org|2001. 03. 30.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 2개의 브레인을 가진 5차원 시공간에서 U(1)_{PQ}를 게이지 대칭으로 도입함으로써 강한 CP 문제를 해결하기 위한 페체이-퀴ーン 대칭의 천연적 실현을 제안한다. 여기서 표준모형 브레인에서는 브레인에 국한된 힉스 메커니즘으로 인해 대칭이 우연의 전역 대칭이 된다. 아키온은 질량이 플랑크 스케일 물리에 의해 보호되는 준노마부-골드스톤 보손으로 나타나며, 이 모형은 약 10^{10} GeV에서 초대칭 붕괴와 PQ 대칭 붕괴 스케일을 통합하여 타당한 암흑물질 후보와 실험적 신호를 제공한다.

ABSTRACT

The axion solution to the strong CP problem requires an anomalous global U(1) symmetry. We show that the existence of such a symmetry is a natural consequence of an extra dimension in which a gauged U(1) is spontaneously broken on one of two branes, leaving an accidental global symmetry on the other brane. Depending on where the standard model matter lives, the resulting axion can be either the DFSZ or hadronic type. Gaugino-mediated supersymmetry breaking fits comfortably in our framework. In addition, we present a model in which the supersymmetry-breaking and Peccei-Quinn breaking scales are naturally of the same size.

연구 동기 및 목표

• 강한 CP 문제에 대한 아키온 해법에서 전역 U(1)_{PQ} 대칭의 자연성 문제를 다루기 위해.
• 비국소적이고 양자중력에 의해 위반될 수 있는 Peccei-Quinn 대칭이 낮은 에너지에서 왜 여전히 붕괴되지 않는지 설명하기 위해.
• 일관된 프레임워크 내에서 초대칭 붕괴와 PQ 대칭 붕괴 스케일을 통합하기 위해.
• 아키온이 플랑크 스케일 연산자로부터 보호되어 강한 CP 문제를 정밀 조정 없이 해결할 수 있도록 하는 모형을 구축하기 위해.
• 모형의 구조에서 유도되는 타당한 암흑물질 후보와 실험적 신호를 탐색하기 위해.

제안 방법

• 2개의 브레인을 가진 5차원 시공간에서 U(1)_{PQ}를 게이지 대칭으로 실현하며, 게이지 보손은 부스터 내에서 전파된다.
• 표준모형 필드와 힉스를 한 브레인(SM 브레인)에 국한시키고, U(1)_{PQ}-전자 필드는 두 번째 은폐 브레인에 위치시킨다.
• 양쪽 브레인에서 힉스 메커니즘을 통해 U(1)_{PQ} 게이지 대칭을 붕괴시키며, 나무골드스톤 모드를 생성한다.
• 실제로는 SM 브레인에서 붕괴되지 않은 우연의 전역 대칭으로부터 유도된 질량이 0인 아키온이 나타난다.
• 브레인 간을 연결하는 경량 부스터 필드가 없도록 보장하여 플랑크 스케일 연산자를 억제함으로써 아키온 질량을 보호한다.
• 콤���크티피케이션 스케일과 브레인에 국한된 소프트 항항을 사용하여 자연스럽게 PQ 붕괴와 초대칭 붕괴 스케일을 약 10^{10} GeV에서 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 게이지된 U(1)_{PQ}를 가진 고차원 이론에서 전역 Peccei-Quinn 대칭이 자연스럽게 유도될 수 있는가?
• RQ2 아키온 질량이 플랑크 스케일 연산자에 의해 파괴되는 것을 방지하는 방법은 무엇인가? 이러한 연산자가 존재하면 강한 CP 문제의 해결이 훼손된다.
• RQ3 Peccei-Quinn 붕괴 스케일과 초대칭 붕괴 스케일이 단일 프레임워크 내에서 자연스럽게 통합될 수 있는가?
• RQ4 이러한 모형의 현상학적 특징은 충돌기와 암흑물질 탐색에서 어떤 신호로 나타나는가?
• RQ5 이 모형의 구조는 R-포지티비티 보존과 경량 초대칭 입자 안정성 보장을 어떻게 보장하는가?

주요 결과

• 아키온은 SM 브레인에서 우연의 전역 대칭으로부터 유도된 준노마부-골드스톤 보손으로 나타나며, 브레인 간을 연결하는 경량 부스터 필드가 없기 때문에 질량이 플랑크 스케일 물리로부터 보호된다.
• 콤팩트화 길이가 mL ≈ 32를 만족할 경우, PQ 붕괴 스케일과 초대칭 붕괴 스케일이 자연스럽게 약 10^{10} GeV에서 통합된다.
• SM 물질의 국한 위치에 따라 DFSZ 유형과 하드론적 아키온 시나리오를 모두 실현하며, 아키온-광자 결합은 f_{PQ} ~ 10^{12} GeV로 억제된다.
• 모든 SM 초대칭 필드가 +1의 U(1)_{PQ} 전하를 가지며, 짝수 전하 필드만 대칭 붕괴를 일으키므로 R-포지티비티가 자동으로 보존된다.
• 아키노와 함께 초중량의 벡터형 루프 쿼크 및 렙톤은 냉각 암흑물질 후보로 타당하며, 장수명의 전하 루프 렙톤은 탐지기에서 고도로 이온화된 궤적을 생성할 수 있다.
• 특히 게이지 보존에 의해 초대칭 붕괴가 일어나는 상황에서는, 장수명의 다음으로 가벼운 초대칭 입자가 아키노로 붕괴하는 놀라운 충돌기 신호를 예측한다.