[논문 리뷰] Solving the Strong CP Problem with High-Colour Quarks and Composite Axion

Archil Kobakhidze|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 20.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 10인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 양성강역학(QCD)의 고색 표현에서 벡터형 쿼크를 사용하여 강한 CP 문제를 해결하는 새로운 아키온 해법을 제안한다. 기존 쿼크가 질량이 없을 경우, 케일리 대칭성에 의해 강한 CP 위상은 자명하게 상쇄되며, 질량을 획득하면 복합 아키온이 생성되어 여전히 CP 위반을 상쇄한다. 이는 표준의 보이지 않는 아키온의 대안으로서 콜라이더에서 관측 가능한 새로운 물리적 현상과 천체물리적 영향을 지닌다.

ABSTRACT

I propose a new axionic solution to the strong CP problem which involves a hypothetical vector-like quark(s) in a high-colour representation of the conventional QCD. There are two distinct scenarios. If the current mass of the exotic quark is zero, the strong CP phase can be trivially rotated away. The high-colour quark is `hidden' in various bounds states, the lightest being the composite axion field, with properties similar to the standard invisible axion. If the high-colour quark acquire a non-zero current mass due to the spontaneous chiral symmetry breaking, the composite axion can be heavy, while the strong CP phase is still cancelling out in the vacuum. The phenomenology and cosmological implications of the heavy composite axion differs drastically from the standard invisible axion.

연구 동기 및 목표

• 강한 CP 위상 매개변수 θ가 실험적으로 매우 작다는 점에서 오랫동안 남아있는 양자 색역학의 문제인 강한 CP 문제를 해결하기 위함.
• 표준의 보이지 않는 아키온 프레임워크와는 다를 바 있는 고색 쿼크 영역에서의 동적 케일리 대칭성 붕괴를 통한 아키온 생성 신규 메커니즘을 제안하기 위함.
• 기존 쿼크 질량이 0일 경우 경량 아키온이 되는 경우와, 기존 쿼크가 질량을 획득하는 경우 무거운 아키온이 되는 두 상황을 모두 고려하여 강한 CP 위상을 상쇄하는 메커니즘을 탐색하기 위함.
• 무거운 복합 아키온의 현상학적 및 천체물리적 영향을 조사하기 위함. 이는 LHC 신호 가능성과 비대칭성 생성 메커니즘 기여를 포함한다.
• 고색 격자에서의 동적 응집을 통해 질량 스케일을 생성함으로써 계층 문제를 피하는 아키온 질량 생성 메커니즘을 제안하기 위함.

제안 방법

• SU(3)C의 고차원 표현 R에 속하는 벡터형 쿼크 Q를 도입하고, 이는 U(1)A^Q 케일리 대칭성에 따라 변환된다.
• fa ≫ fπ 규모에서 쿼크-반쿼크 응집 ⟨Q̄Q⟩에 의해 U(1)A^Q의 자발적 대칭 붕괴를 가정함으로써 복합 준금속 보손(아키온)이 생성된다.
• 기존 쿼크 질량이 0인 경우, Q의 케일리 변환을 통해 강한 CP 위상 θ가 자명하게 제거되며, 정교한 조정이 필요로 하지 않는다.
• 기존 쿼크 질량이 있는 경우, 복소 스칼라 필드 φ를 Q와의 유카와 상호작용으로 도입하여 동적 질량 mQ를 생성한다.
• 복합 아키온 질량 공식을 유도: ma ≈ 2c^{1/2}_Q √(mQ fa), 이는 mQ와 fa가 크면 아키온이 무거워질 수 있음을 보여준다.
• 일반 메손(π⁰, η) 및 스칼라 φ와의 작은 혼합을 가정하여 아키온이 잘 정의된 상태를 유지하고, 주로 글루온과 광자와의 결합이 지배적이 되도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 QCD의 비기본 표현에서 고색 벡터형 쿼크가 강한 CP 문제를 해결할 수 있는 복합 아키온을 동적 케일리 대칭 붕괴를 통해 생성할 수 있는가?
• RQ2 표준의 보이지 않는 아키온과 비교해 복합 무거운 아키온의 현상학적 및 천체물리적 영향은 무엇인가?
• RQ3 기존 쿼크 질량이 있는 경우, 아키온 질량은 기존 쿼크 질량과 아키온 붕괴 상수 fa에 어떻게 의존하는가?
• RQ4 고에너지 콜라이더, 특히 LHC에서 복합 아키온이 생성되거나 탐지될 수 있는가? 특히 750 GeV 이중 광자 비대칭 현상과의 연관성은?
• RQ5 기존 쿼크의 안정된 결합 상태가 암흑물질 후보로 가능할 수 있는가?

주요 결과

• 기존 쿼크 질량이 0일 경우, Q의 케일리 변환을 통해 강한 CP 위상 θ가 자명하게 상쇄되며, 복합 아키온은 경량이 되어 표준의 보이지 않는 아키온과 유사하다.
• 기존 쿼크가 복소 스칼라 필드와의 상호작용를 통해 현재 질량 mQ를 획득하면, 아키온 질량은 ma ≈ 2c^{1/2}_Q √(mQ fa)로 표현되며, 이는 mQ와 fa가 크면 무거운 아키온이 될 수 있다.
• d(R) = 10 이상일 경우, fa ≥ TeV가 될 수 있어, 특히 ma가 수 테바전자볼트 범위일 경우 LHC에서 관측 가능성이 높아진다.
• 무거운 복합 아키온은 QCD 영역에서 CP 위반을 매개할 수 있으며, 초광학 보손과의 비정상적 결합을 통해 비대칭성 생성 기여 가능성이 있다.
• 질량 척도가 쿼크 응집을 통해 동적으로 생성되므로, 계층 문제를 자연스럽게 피하는 모델이다.
• 기존 쿼크의 안정된 결합 상태는 타당한 암흑물질 후보가 될 수 있으며, 새로운 암흑물질 장면을 제시한다.