[논문 리뷰] Superheavy Light Quarks and the Strong P, T Problem

Frank Wilczek, Guy D. Moore|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 12.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 초고립한, 효과적으로 질량이 없는 '크립토쿼크'—초강력 게이지 대칭(G)에 의해 봉인된 페르미온—을 사용하여 강한 CP 문제를 해결하는 새로운 해결책을 제안한다. 이 대칭은 카이랄 대칭을 깨뜨리지 않으며, G의 이상성 구조와 관련된 위상 동역학을 활용함으로써 기본 스칼라 장을 도입하지 않고 QCD 아키온을 생성한다. 이는 G의 스케일과 관련된 동역학적 메커니즘을 통해 CP 위반 매개변수 θ의 작음을 자연스럽게 설명한다.

ABSTRACT

New superstrong forces, analogous to QCD but featuring a larger mass scale, should they exist, would offer new possibilities for addressing the strong P, T, problem. One can implement the "massless quark" solution in a phenomenologically acceptable way, by using a massless quark that is always confined within superheavy particles, and is therefore effectively superheavy: a cryptoquark. Assuming confinement and chiral symmetry breaking from the superstrong dynamics, we find a new mechanism to generate an axion field without introducing new fundamental scalar fields.

연구 동기 및 목표

• 표준 아키온 해법을 넘어서는 새로운 메커니즘을 도입하여 강한 P, T 문제—즉, QCD θ 매개변수의 비자연스럽게 작은 값—을 해결하기 위해.
• 강한 상호작용으로 봉인되어 효과적으로 초고립한 질량이 없는 쿼크(크립토쿼크)가 강한 CP 문제의 타당한 해결책이 될 수 있는지 탐구하기 위해.
• 기본 스칼라 장이나 미세조정 없이도 새로운 초강력 상호작용 G에서 QCD 유사 아키온이 동역학적으로 어떻게 나타나는지 보여주기 위해.
• 아키온의 질량 스케일이 Λ_G의 동역학 스케일에 의해 결정되며, 이는 높은 스케일에서의 현상학적으로 타당한 아키온 후보를 제공함을 보여주기 위해.

제안 방법

• 강한 상호작용 G를 갖는 새로운 초강력 게이지 군을 도입하며, 이는 Λ_G ≫ Λ_QCD의 질량 스케일을 갖는다. 이 G는 질량이 없는 페르미온(크립토쿼크)을 봉인하며, G와 SU(3)_c 양자수를 모두 지닌다.
• G가 SU(3)_c 하에서 이상성을 갖는다는 점을 활용하여, ∝ θ' ∫F ∧ F 형태의 위상적 항을 생성함으로써, 나무부스터-골드스톤 메커니즘을 통해 동역학적 아키온을 생성한다.
• 두 개의 벡터형 U(1) 대칭(크립토바리온 수를 위한)을 포함하는 모델을 구성하고, Peccei-Quinn 대칭을 갖는 스칼라 장 φ_Q, φ_S 를 도입하여 자발적 대칭 깨짐을 유도한다.
• ⟨Q̄_L Q_R⟩ 및 ⟨S̄_L S_R⟩의 이중형 결합 농축이 φ_Q와 φ_S 의 진공 기대값을 유도하며, 이는 Λ_G 에 의해 결정되는 질량 스케일을 갖는 동역학적 아키온을 초래한다.
• 결과적으로 나타나는 아키온 장은 G의 잔여 U_A(1) 이상성에서 기인하며, 이는 위상적 성격을 띠고 있고 인스턴턴 효과와 연결되어 있다.
• 아키온이 안정하고 글루온과 결합하며, 그 질량이 명시적 스칼라 질량이 아닌 G의 동역학에 의해 결정됨을 증명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기본 스칼라 장을 도입하지 않고도 새로운 초강력 상호작용을 통해 강한 CP 문제를 해결할 수 있는가?
• RQ2 카이랄 대칭을 유지하는 봉인된 게이지 이론에서 동역학적 아키온은 어떻게 나타나는가?
• RQ3 질량이 없지만 봉인된 페르미온인 크립토쿼크는 θ 매개변수 문제에 자연스러운 해결책을 어떻게 제공하는가?
• RQ4 아키온의 질량 스케일이 Λ_QCD 가 아닌 새로운 물리 스케일 Λ_G 에 의해 결정될 수 있으며, 그 현상학적 결과는 무엇인가?
• RQ5 모델이 단일 아키온 또는 다수의 아키온 유사 입자를 생성하는 조건은 무엇이며, 그들의 결합 상수는 어떻게 다른가?

주요 결과

• 기본 스칼라 장이 필요 없이, 새로운 초강력 게이지 군 G의 이상성 구조에 의존하는 QCD 아키온 생성을 위한 새로운 메커니즘이 제안된다.
• 아키온은 G가 SU(3)_c 하에서 잔여 이상성을 갖는 U(1) 대칭의 자발적 대칭 깨짐에서 기인한 나무부스터-골드스톤 보손으로 나타나며, 질량 스케일은 Λ_G 에 의해 결정된다.
• φ_Q와 φ_S 가 모두 진공 기대값을 갖는다면, 결과적으로 나타나는 아키온은 Λ_G 에 따라 수백 GeV 범위의 질량을 가질 수 있다.
• 아키온의 글루온 결합은 명시적 결합이 아니라 G의 동역학에 의해 결정되며, 크립토바리온 수의 보존으로 인해 아키온은 안정하다.
• 이 메커니즘은 효과적인 θ 매개변수를 |θ| < 10⁻¹⁰ 으로 자연스럽게 억제하며, 이는 실험적 제약과 일치하며, 미세조정이 필요하지 않다.
• 이 모델은 저에너지 초대칭과 대통합 이론과 일치하며, G-하드론의 고에너지 생성 또는 이국적 붕괴를 통해 탐색될 수 있다.