[논문 리뷰] Shift-Invariant Orders of an Axionlike Particle

Quentin Bonnefoy, Christophe Grojean외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Advanced Topics in Algebra인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 양자수준에서 양성자 대칭의 위반을 양성자 유사 입자(AXIOM-fermion 상호작용)의 쿼크 및 렙톤에 대한 양자역학적 상호작용에서 측정 가능한 게이지 불변의 양자수준 파라미터로 정량화하기 위한 완전한 세트를 제안한다. 저자들은 양자역학적 상호작용 행렬에서 유도된 자르스코-유사 불변량을 식별함으로써, 미세한 대칭 위반 효과를 캡처하는 측정 가능한, 게이지 불변의 양자수준 파라미터를 제공한다. 주요 결과는 이러한 불변량이 양자수준 군 수축에 따라 닫혀 있으며, CP 대칭 보존 조건이 유일한 불변량 이외의 모든 불변량을 제거함으로써 ALP 현상학에 상당한 제약을 가한다는 것이다.

ABSTRACT

It is generally believed that global symmetries, in particular axion shift symmetries, can only be approximate. This motivates us to quantify the breaking of the shift invariance that characterizes the couplings of an axion-like particle (ALP), and to identify proper order parameters associated to this breaking. Focusing on the flavorful effective Yukawa couplings to Standard Model fermions, we work out explicit conditions for them to maintain an exact axion shift symmetry. Those conditions are given in terms of Jarlskog-like flavor-invariants and can be directly evaluated from the values of the different Yukawa couplings. Therefore, they represent order parameters for the breaking of the axion shift symmetry. We illustrate this construction by matching the axion EFT to UV models, and by showing that the renormalization group running closes on those shift-breaking flavor-invariants, as it should on any complete set of order parameters. Furthermore, the study of the invariants' CP-parities indicate that all but one are CP-odd, hence the assumption of CP conservation suffices to cancel all but one sources of shift-breaking in the theory. We also investigate similar conditions in the low-energy EFT below the electroweak scale, and comment on relations inherited from a UV completion which realizes the electroweak symmetry linearly. Finally, we discuss the order parameter associated to the non-perturbative shift-breaking induced by the axion-gluons coupling, which is also flavorful.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 페르미온에 대한 양성자 유사 입자(Yukawa) 상호작용에서의 양성자 대칭 위반을 체계적으로 정량화하는 것.
• 대칭 위반의 정도를 측정하는 게이지 불변, 풍미 불변 순서 매개변수를 식별하는 것.
• 이들 불변량이 양자수준 군 수축에 따라 닫혀 있는 완전한 세트를 형성함을 보여주는 것.
• CP 위반의 역할을 분석하여, CP 보존 조건이 유일한 대칭 위반 기원 외의 모든 기원을 제거함을 보여주는 것.
• 양성자-글루온 상호작용에 의한 비양자적 대칭 위반과 그 양자수준 군 수축을 확장하는 것.

제안 방법

• 쿼크 및 렙톤 부문의 복소 양자역학적 상호작용 행렬을 사용하여, CKM 행렬에서 유도된 자르스코 불변량과 유사한 풍미 불변 순서 매개변수를 구성한다.
• 정확한 양성자 대칭 위반 조건을 명시적으로 유도하며, 이는 $ \text{Tr}[(\tilde{Y}_f \tilde{Y}_f^\dagger + \text{h.c.})^2] $ 와 같은 조합의 흔적 조건으로 표현된다.
• SMEFT 수준의 효과적 장 이론(EFT)을 사용하여 ALP 상호작용을 기술하며, 주요 순서 상호작용을 포괄하는 비중복 연산 기반을 사용한다.
• 양성자 대칭 위반 불변량의 양자수준 군 수축(RGE) 분석을 수행하며, 이들이 양자수준 군 흐름에 따라 닫혀 있음을 보여준다.
• 위상적 항을 통해 양성자-글루온 상호작용에 의한 비양자적 대칭 위반을 분석하며, 별개의 순서 매개변수를 식별한다.
• UV 모델(예: axiflavon, 이중 힉스 두중체, 약하게 위반된 PQ 대칭)에 EFT를 매칭하여 일관성과 물리적 실현 가능성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ALP-fermion 상호작용에서 비양자적 대칭 위반을 정량화하는 데 필요한 완전한 게이지 불변, 풍미 불변 순서 매개변수는 무엇인가?
• RQ2 이들 순서 매개변수는 양자수준 군 수축에 따라 어떻게 진화하며, RG 흐름에 따라 닫힌 집합을 형성하는가?
• RQ3 CP 위반이 대칭 위반을 생성하는 데 어떤 역할을 하는가? 그리고 CP 보존 조건이 대부분의 대칭 위반 기원을 제거할 수 있는가?
• RQ4 이들 대칭 위반 불변량은 axiflavon 또는 이중 힉스 두중체 모델과 같은 UV 완성과 어떻게 관련되는가?
• RQ5 양성자-글루온 상호작용에 의한 비양자적 대칭 위반의 성격은 무엇이며, 이는 양자수준 군 수축에 따라 어떻게 진화하는가?

주요 결과

• 논문은 ALP-fermion 상호작용에서의 양성자 대칭 위반에 대해, 양자역학적 상호작용 행렬의 구조에서 유도된 완전한 선형 풍미 불변 순서 매개변수 세트를 규명한다.
• 이들 불변량은 양자역학적 상호작용 계수의 값으로 명시적으로 계산 가능하며, 양자수준 군 수축에 따라 닫혀 있음을 확인하여 물리적 순서 매개변수로서의 역할을 입증한다.
• 모든 불변량 중 하나를 제외한 나머지는 CP-홀수이므로, CP 보존 조건이 비양자적 대칭 위반의 기원을 하나의 기원 외에는 모두 제거함을 의미한다.
• 양성자-글루온 상호작용에 의한 비양자적 대칭 위반은 별개의 게이지 불변 순서 매개변수로 기술되며, 이는 위상적 항과 관련되어 있다.
• 양성자-글루온 상호작용 계수 $ C_g $ 의 RGE 는 축성 이상을 혼합하는 장 재정의에 의해 기인한 기여를 받으며, 이는 분석에서 완전히 고려되었다.
• 분석 결과, 이러한 불변량을 포함한 EFT 프레임워크가 선형적으로 실현된 전자약 대칭을 가진 UV 모델과도 일관됨을 확인하였다.