[논문 리뷰] Mirror fermions and the strong CP problem: A new axionless solution and experimental implications

P. Q. Hung|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 강한 CP 문제를 해결하기 위한 아키온이 없는 해결책을 제안하며, EW-νR 모형을 통해 복소 요카다 쿠퍼링의 CP 위반은 세이프 메커니즘에 의해 자연스럽게 억제된다. 효과적인 θ 매개변수 ⟨θ̄⟩ < 10⁻¹⁰의 미세함은 디르아크 및 메조나나 마스스케일 간의 계층성에서 기인하며, LHC에서의 주요 실험적 서명으로 장수하는 미러 페르미온이 된다.

ABSTRACT

A new solution to the strong CP problem with distinct experimental signatures (long-lived particles) at the LHC is proposed. It is based on the Yukawa interactions between mirror quarks, Standard Model (SM) quarks and Higgs singlets. (Mirror quarks and leptons which include non-sterile right-handed neutrinos whose Majorana masses are proportional to the electroweak scale, form the basis of the EW-$ν_R$ model.) The aforementioned Yukawa couplings can in general be complex and can contribute to $Arg\, Det M$ ($\barθ = θ_{QCD} + Arg\, Det M$) at tree-level. The model contains a Peccei-Quinn-type global symmetry which allows it to rotate away $θ_{QCD}$.The crux of matter in this manuscript is the fact that {\em no matter how large} the CP-violating phases in the Yukawa couplings might be, $Arg\, Det M$ can remain small i.e. $\barθ &lt; 10^{-10}$ for reasonable values of the Yukawa couplings and, in fact, vanishes when the VEV of the Higgs singlet (responsible for the Dirac part of the neutrino mass in the seesaw mechanism) vanishes. The smallness of the contribution to $\barθ$ is {\em principally due} to the smallness of the ratio of the two mass scales in the seesaw mechanism: the Dirac and Majorana mass scales.

연구 동기 및 목표

• 아키온을 도입하지 않고 θ̄ < 10⁻¹⁰의 정밀 조정 문제를 해결하기 위해.
• 요카다 쿠퍼링의 CP 위반 위상이 질량 스케일 계층성 덕분에 효과적인 θ 매개변수에 큰 기여를 하지 않는 이유를 설명하기 위해.
• EW-νR 모형 내에서 실험적으로 검증 가능한 서명—특히 장수하는 미러 페르미온—을 식별하기 위해.
• 세이프 메커니즘이 자연스럽게 ArgDetM을 억제함으로써 작은 θ̄가 작은 중성미오 질량과 연결됨을 보여주기 위해.
• SM 게이지 군 SU(3)×SU(2)×U(1) 내에서 Nielsen-Ninomiya 정리의 문제를 피하고 라티스 실현이 가능한 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 나무 수준에서 θQCD를 0으로 회전시킬 수 있는 Peccei-Quinn 유형의 전역 대칭성을 도입하며, 동적 아키온 장이 필요하지 않다.
• SM 쿼크, 미러 쿼크, 힉스 싱เก터링 간의 요카다 쿠퍼링을 통해 쿼크 질량 행렬 내 CP 위반 위상을 생성한다.
• VEV vS를 갖는 힉스 싱เก터링을 통해 세이프 메커니즘을 적용하여 작은 디르아크 질량 mD ≪ MR을 이끌어내며, 이는 ArgDetM의 억제를 이끈다.
• 상·하이퍼 쿼크의 4×4 질량 행렬을 대각화하며, vS 비례의 비대칭 항을 통해 SM과 미러 쿼크 간의 혼합을 포함한다.
• vS → 0일 때 ArgDetM가 0이 되며, 현실적인 요카다 쿠퍼링 상수와 질량 계층성 조건 하에서 여전히 < 10⁻¹⁰로 유지됨을 보여준다.
• 미러 페르미온의 작은 힉스 싱게터링과의 결합으로 인해 장수하는 수명을 가지며, 이로 인해 이격된 병합점에서 붕괴함을 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 아키온을 도입하지 않고 대칭성과 질량 스케일 계층성에 의존하여 강한 CP 문제를 해결할 수 있는가?
• RQ2 요카다 쿠퍼링에서 큰 CP 위반 위상이 존재하더라도 ArgDetM에 대한 기여가 왜 작게 유지되는가?
• RQ3 EW-νR 모형이 SM 게이지 군 내에서 실현 가능한, 검증 가능한 세이프 메커니즘의 프레임워크를 제공할 수 있는가?
• RQ4 이 아키온 없는 해결책이 LHC에서의 구체적인 실험적 서명은 무엇인가?
• RQ5 세이프 메커니즘이 어떻게 효과적인 θ 매개변수를 10⁻¹⁰ 이하로 억제하는가?

주요 결과

• 세이프 메커니즘에서 디르아크 질량과 메조나나 질량 스케일 간의 작은 비율 덕분에 효과적인 θ 매개변수는 10⁻¹⁰ 이하로 유지된다.
• 히iggs 싱게터링 VEV vS → 0일 때 ArgDetM는 0이 되며, 이는 θ̄의 미세함이 세이프 계층성의 결과임을 나타낸다.
• 이 모형은 장수하는 미러 쿼크 및 렙톤을 예측하며, 이들은 이격된 병합점에서 붕괴함으로써 LHC에서의 고유한 실험적 서명을 제공한다.
• θQCD를 0으로 회전시킬 수 있는 전역 카이랄 대칭성에 의존하며, 동적 아키온 장이 필요하지 않다.
• EW-νR 모형은 Nielsen-Ninomiya 금지 정리 문제를 피하며, 이상치 없이 일관된 SM 게이지 군의 확장이다.
• 요카다 쿠퍼링 상수 gSq와 gSl < 10⁻⁴의 제약 조건은 관측 가능한 장수 입자 붕괴를 유도하며, LHC의 LLP 공동체의 탐색 이니셔티브와 부합한다.