[논문 리뷰] Heavy QCD Axion in $b o s$ transition: Enhanced Limits and Projections

Sabyasachi Chakraborty, Manfred Kraus외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 08.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 78인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 강한 CP 문제의 해법이 되는 무거운 QCD 아키온을 조사한다. 이 아키온은 $ m_a \gtrsim 10~\text{MeV} $ 이고 $ f_a \sim \text{TeV} $ 이며, 주로 $ aG\tilde{G} $ 쌍체로 결합한다. $ b \to s $ 전이에서 2계층 계산을 통해 기존의 $ f_a $ 제한이 최대 한 계급만큼 향상됨을 발견하였고, 벨레 II 실험에서 $ f_a \sim \text{몇 TeV} $ 수준을 탐색할 수 있을 것으로 예측하며, 아키온 품질 문제를 해결한다.

ABSTRACT

We study a "heavy" QCD axion whose coupling to the standard model is dominated by $a G \widetilde{G}$ but with $m_a \gg m_πf_π/ f_a$. This is well motivated as it can solve the strong CP problem while evading the axion quality problem. It also poses interesting challenges for its experimental search due to its suppressed couplings to photons and leptons. Such axion with mass around a GeV is kinematically inaccessible or poorly constrained by most experimental probes except B-factories. We study $B o K a$ transitions as a powerful probe of the heavy QCD axion by performing necessary 2-loop calculations for the first time, together with some improvement on the existing analysis strategy. We find some of the existing limits are enhanced by at least an order of magnitude. We also demonstrate that the bounds are robust against unknown UV physics. For forthcoming data sets of the Belle II experiment, we provide a projection that $f_a$ of a few TeV is within its future reach, which is relevant to the quality problem.

연구 동기 및 목표

• 무거운 QCD 아키온의 현상학을 조사한다. 이 아키온은 $ m_a \gtrsim 10~\text{MeV} $ 이고 $ f_a \sim \text{TeV} $ 이며, 표준 제약 조건을 피하나 주로 $ aG\tilde{G} $ 를 통해 결합한다.
• 양자 중력 효과가 아키온 해법을 손상시킬 수 있는 상황에서 $ f_a \lesssim 10~\text{TeV} $ 를 고려함으로써 아키온 품질 문제를 해결한다.
• 이전에 적극적으로 활용되지 않았던 채널인 $ B \to K a $ 붕괴 분석을 통해 이러한 아키온에 대한 실험 감도를 향상시킨다.
• renormalization group 분석을 통해 알려지지 않은 UV 물리에 대한 경계의 견고함을 입증한다.
• 벨레 II 실험의 향후 감도를 $ f_a \sim \text{몇 TeV} $ 수준으로 예측하며, 이는 품질 문제 해결과 직접적으로 관련된다.

제안 방법

• 효과적 장 이론 프레임워크에서 2계층 매칭 계산을 수행하여 QCD 및 전자기 보정을 포함한 $ b \to s a $ 전이의 윌슨 계수를 계산한다.
• renormalization group evolution (RGE) 를 사용하여 유효 스케일 $ \Lambda_{\text{UV}} \sim M_W $ 에서부터 $ \mu \sim m_b $ 까지 윌슨 계수를 이행하며, $ \alpha_s $, $ y_t $, $ V_{ts} $ 의 러닝을 포함한다.
• $ \overline{\text{MS}} $ 체계를 사용하고 차원 정규화를 적용하며, 루프 적분 전반에 걸쳐 $ \gamma_5 $ 와 리만-비체비터 텐서를 일관되게 처리한다.
• 스케일 $ \mu \sim M_W $ 에서 매칭 조건을 유도하며, 토프 쿼크와 $ W $ 보손을 통합하고, $ \mathcal{O}_1 = a G\tilde{G} $ 를 포함한 효과적 해밀토니안으로 매칭한다.
• $ B \to K a $ 붕괴의 붕괴 진폭을 계산하며, 펜터그린 및 펜터그린-박스 기여를 모두 포함하고 브랜치 비율을 평가한다.
• 기존의 1계층 매칭 함수와의 일致성 검증 및 특히 $ \gamma_5 $ 처리에서의 체계 의존성 검증을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2계층 QCD 및 전자기 보정은 $ b \to s $ 전이에서 $ aG\tilde{G} $ 연산자의 윌슨 계수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 2계층 보정과 향상된 분석 전략을 고려할 때, 무거운 QCD 아키온에 대한 기존 실험 제한은 어느 정도 향상되는가?
• RQ3 특히 아키온 품질 문제의 맥락에서 알려지지 않은 UV 물리에 대해 유도된 경계는 얼마나 견고한가?
• RQ4 벨레 II 실험은 중량 QCD 아키온 시나리오에서 아키온 붕괴 상수 $ f_a $ 에 대해 어느 정도의 감도를 갖는가?
• RQ5 $ B \to K a $ 붕괴는 $ m_a \gtrsim 10~\text{MeV} $ 이고 $ f_a \sim \text{TeV} $ 인 무거운 QCD 아키온을 탐색하는 데 실현 가능한 수단이 될 수 있는가?

주요 결과

• 2계층 보정을 포함함으로써 기존의 아키온 붕괴 상수 $ f_a $ 제한이 최소 한 계급 이상 향상되며, 특히 $ m_a \sim 100~\text{MeV} $ 에서 $ 1~\text{GeV} $ 범위에서 두드러진다.
• RGE를 통한 매칭 절차의 일관성으로 인해 $ f_a $ 에 대한 경계가 알려지지 않은 UV 물리에 대해 견고함을 입증한다.
• 벨레 II 실험의 경우, 예측된 감도가 $ f_a \sim \text{몇 TeV} $ 수준에 도달하며, 이는 아키온 품질 문제 해결에 직접적으로 관련된다.
• $ B \to K a $ 붕괴의 브랜치 비율은 $ f_a $ 에 민감하며, 주로 $ aG\tilde{G} $ 연산자에서 기인하며, QCD 보정으로 인해 진폭이 증폭된다.
• 2계층 계산은 이전 1계층 분석에서의 모순, 특히 $ \gamma_5 $ 와 텐서 구조 처리에서의 문제를 해결하여 윌슨 계수의 더 정확한 결정을 가능하게 한다.