[논문 리뷰] Domestic Axion

Gia Dvali, Lena Funcke|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 31.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 20인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 강한 CP 문제를 해결하면서도 표준모형 보손자만을 사용하여 출현하는 복합 악시온 모형을 제안한다. 이 악시온은 주로 η′ 메손이며, 작은 중성미오 이중체 성분(ηᵤ)을 포함한다. Peccei-Quinn 대칭은 QCD와 중성미오 응집체에 의해 자동으로 붕괴되며, 이로 인해 중성미오 응집체가 복합 힉스처럼 작용하여 업 쿼크 질량을 생성한다. 이는 강한 CP 문제를 해결하면서도 악시온 이동 대칭이 중력 이상으로부터 보호된다. 모형은 마이크론 이하 거리에서의 이sov형에 의존하는 새로운 인력 상호작용을 예측한다.

ABSTRACT

We attempt to identify a phenomenologically viable solution to the strong $CP$ problem in which the axion is composed entirely out of Standard Model fermion species. The axion consists predominantly of the $\eta'$ meson with a minuscule admixture of a pseudoscalar bilinear composite of neutrinos, $\eta_{ u}$. The Peccei-Quinn symmetry is an axial symmetry that acts on the up quark and the neutrino species and is spontaneously broken by the QCD condensate of quarks as well as the condensate of neutrinos triggered by chiral gravitational anomaly. The up-quark mass is spontaneously generated by the neutrino condensate which plays the role of an additional composite Higgs doublet with the compositeness scale of the order of the neutrino masses. Such a scenario is highly economical: it solves the strong $CP$ problem, generates the up-quark and neutrino masses from fermion condensates and simultaneously protects the axion shift symmetry against gravitational anomaly. The phenomenology is different from the standard hidden axion case. One of the experimental signatures is the existence of a gravity-competing isotope-dependent attractive force among nucleons at (sub)micron distances.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 보손자만을 사용하여 새로운 기본 스칼라를 도입하지 않고도 강한 CP 문제를 해결한다.
• 기본 힉스 두중체를 대체하여 중성미오 응집체를 통해 업 쿼크 질량을 유도한다.
• 복합 힉스 유사 메커니즘을 통해 악시온 이동 대칭이 중력 이상으로부터 보호된다.
• 새로운 실험적 서명을 예측한다: (마이크론 이하) 거리에서의 이sov형에 의존하는 인력 상호작용.

제안 방법

• 업 쿼크와 중성미오를 대상으로 하는 Peccei-Quinn 축대칭을 도입하며, 이는 QCD와 중성미오 응집체에 의해 자동으로 붕괴된다.
• 악시온을 주로 η′ 메손으로 구성된 복합 상태로 모델링하며, 중성미오로부터 형성된 페시컬라 이중체 ηᵤ의 작은 혼합 성분을 포함한다.
• 유도된 양자역학적 중력 이상을 통해 중성미오 응집체를 유도하며, 이는 복합 힉스 메커니즘을 통해 업 쿼크 질량을 생성한다.
• 복합 응집체의 구조 덕분에 악시온 이동 대칭이 중력 이상으로부터 손상되지 않도록 보장한다.
• 효과적 저에너지 라그랑지안을 유도하여 악시온 결합 및 그로 인한 핵자-핵자 상호작용을 분석한다.
• 유도된 결합을 사용하여 (마이크론 이하) 거리에서 악시온 교환에 의해 매개되는 이sov형에 의존하는 핵력의 크기를 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 새로운 기본 스칼라를 도입하지 않고도 표준모형 보손자만을 사용하여 강한 CP 문제를 해결할 수 있는가?
• RQ2 악시온 물리학과 일치하는 방식으로 중성미오 응집체를 통해 업 쿼크 질량을 어떻게 동적으로 생성할 수 있는가?
• RQ3 복합 악시온 모형에서 악시온 이동 대칭은 무엇에 의해 중력 이상으로부터 보호되는가?
• RQ4 어떤 새로운 실험적 서명이 이러한 복합 악시온 시나리오에서 유도되는가?
• RQ5 마이크론 이하 척도에서 악시온이 매개하는 핵자-핵자 상호작용의 성격과 강도는 무엇인가?

주요 결과

• 악시온은 주로 η′ 메손이며, 중성미오로부터 형성된 페시컬라 이중체 복합체 ηᵤ의 작은 혼합 성분을 포함한다.
• 업 쿼크 질량은 중성미오 응집체에 의해 생성되며, 이는 복합 힉스 두중체로서의 기능을 하며, 복합성 스케일은 중성미오 질량 스케일 근처이다.
• Peccei-Quinn 대칭은 QCD와 중성미오 응집체 양쪽 모두에 의해 자동으로 붕괴되며, 이는 악시온이 강한 CP 문제의 해결책이 되도록 보장한다.
• 복합 응집체의 구조 덕분에 악시온 이동 대칭이 중력 이상으로부터 보호된다.
• 악시온 교환에 의해 (마이크론 이하) 거리에서의 이sov형에 의존하는 새로운 인력 상호작용이 예측된다.
• 모형은 매우 경제적이며, 업 쿼크 질량 생성, 악시온 역학, 이상 보호 기능을 하나의 복합 프레임워크 내에서 통합한다.