[논문 리뷰] What does a non-vanishing neutrino mass have to say about the strong CP problem?

P. Q. Hung|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 21.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 EW-νR 모형 내에서 강한 CP 문제에 대한 축성자 없는 해결책을 제안한다. 여기서 표준모형과 거울 쿼크 사이의 힉스 싱เก터를 통한 복소 양자치 상호작용이 작은 CP 위반 위상을 생성하며, 큰 메조라나 질량 척도 대비 디르락 질량 척도 비율에 의한 세이브 메커니즘 억제로 인해 결과적인 효과적 θ̄ 매개변수는 10⁻¹⁰ 이하로 유지된다. 이는 거울 페르미온의 이격 붕괴를 통해 검증 가능한 LHC 서명을 제공한다.

ABSTRACT

A new solution to the strong CP problem with distinct experimental signatures 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 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. $\barθ < 10^{-10}$ 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

• Peccei-Quinn 축성자나 라그랑지안 내에서의 명시적 CP 보존을 도입하지 않고도 강한 CP 문제를 해결하기 위해.
• 복소 양자치 상호작용이 존재함에도 불구하고 효과적 CP 위반 매개변수 θ̄ = θQCD + ArgDetM 가 10⁻¹⁰ 이하로 유지되는 이유를 설명하기 위해.
• 거울 페르미온과 힉스 싱게터를 포함한 모형에서 세이브 메커니즘이 자연스럽게 ArgDetM 의 작음을 유도함을 보여주기 위해.
• 비제로 중성미온 질량과 강한 CP 위반 간의 연결 고리를 제공하는 EW-νR 모형 내에서 검증 가능한 프레임워크를 제시하기 위해.
• 모형이 Nielsen-Ninomiya 금지 정리에 위배되지 않으며 전자약력 정밀도 제약 조건을 만족함을 보여주기 위해.

제안 방법

• 표준모형(SM) 쿼크와 거울 쿼크로 구성된 이중 세트 프레임워크를 도입하며, 둘 다 동일한 게이지 군 SU(3)×SU(2)×U(1) 에 따라 변환된다.
• SM의 왼쪽 쿼크와 거울 쿼크의 오른쪽 쿼크 간 혼합을 매개하는 힉스 싱게터 φS 를 통합하여 디르락 질량을 생성한다.
• 세이브 메커니즘을 사용: 디르락 질량 mD ∝ vS 는 메조라나 질량 MR ∝ vM 보다 훨씬 작으며, 이로 인해 mν ≈ mD²/MR 가 된다.
• 6×6 쿼크 질량 행렬(표준모형 및 거울 쿼크 포함)에서 CP 위반 위상 ArgDetM 를 계산하며, 이는 mD/MR 에 의해 억제됨을 보여준다.
• 작은 혼합의 극한에서 6×6 질량 행렬의 대각화를 가정하여 각 쿼크 유형에 대해 4×4 블록으로 줄여낸다.
• ArgDetM ∝ mν / mquark 이며, mD ≪ MR 의 계층성으로 인해 θ̄ < 10⁻¹⁰ 가 된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Peccei-Quinn 축성자나 라그랑지안 내에서의 CP 보존을 도입하지 않고도 강한 CP 문제를 해결할 수 있는가?
• RQ2 복소 양자치 상호작용이 존재함에도 불구하고 CP 위반 위상 ArgDetM 이 10⁻¹⁰ 이하로 유지되는 이유는 무엇인가?
• RQ3 EW-νR 모형 내에서 세이브 메커니즘이 효과적 θ̄ 매개변수를 10⁻¹⁰ 이하로 억제하는 방식은 무엇인가?
• RQ4 모형은 전자약력 정밀도 데이터와 LHC 물리학과 일치하는가?
• RQ5 이 프레임워크 내에서 거울 페르미온과 그들의 이격 붕괴의 실험적 서명은 무엇인가?

주요 결과

• 복소 양자치 상호작용가 존재하더라도 세이브 억제 mD/MR 덕분에 효과적 CP 위반 매개변수 θ̄ 는 10⁻¹⁰ 이하로 유지된다.
• Higgs 싱게터의 진공 기대값 vS → 0 일 때 ArgDetM 는 0이 되며, 이는 θ̄ 의 작음을 세이브 메커니즘과 연결한다.
• 거울 페르미온을 도입함으로써 SM 페르미온과 벡터-유사 쌍을 이루게 하여 Nielsen-Ninomiya 금지 정리의 위반을 피한다.
• 작은 양자치 상호작용으로 인해 거울 쿼크와 렙톤은 fᴹ → f + φS 로 이격된 꼬리점에서 붕괴할 수 있으며, 이는 LHC에서의 특징적인 서명을 제공한다.
• 쿼크 부문의 CP 위반 위상은 mν / mquark 비례하며, 세이브 메커니즘을 통한 중성미온 질량 생성이 필요한 억제를 제공한다.
• 모형은 125 GeV 힉스 보손과 전자약력 정밀도 제약 조건을 만족하며, 거울 세트가 게이지 불변 프레임워크에 통합되어 있기 때문이다.