[논문 리뷰] Addressing the strong CP problem with quark mass ratios

J. Lorenzo Díaz-Cruz, U. J. Saldaña-Salazar외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 12.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 45인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 쿼크 질량(Yukawa) 행렬의 구조에 대해 최소한의 가정을 할 경우 표준모형 내에서 강한 CP 문제는 존재하지 않는다고 주장한다. 이러한 행렬을 대각화하는 이단위 변환을 분석함으로써, 저자들은 강한 상호작용 부문에서의 CP 위반을 자연스럽게 억제함을 보여주며, 아키온이나 새로운 대칭과 같은 새로운 물리학이 필요로 하지 않음을 시사한다.

ABSTRACT

The strong CP problem is one of many puzzles in the theoretical description of elementary particles physics that still lacks an explanation. Solutions to that problem usually comprise new symmetries or fields or both. The main problem seems to be how to achieve small CP in the strong interactions despite large CP violation in weak interactions. Observation of CP violation is exclusively through the Higgs–Yukawa interactions. In this letter, we show that with minimal assumptions on the structure of mass (Yukawa) matrices the strong CP problem does not exist in the Standard Model and no extension to solve this is needed. However, to solve the flavor puzzle, models based on minimal SU(3) flavor groups leading to the proposed flavor matrices are favored. [e-mail] [e-mail] [e-mail] Introduction.—Problems are the nourishment of theoretical physics. Besides several other problems that still wait to be finally solved, the strong CP problem seems to be one of the simplest to be elucidated. The problem itself resides in the interplay of non-perturbative effects in Quantum Chromodynamics (QCD) and CP violation (CPV) in weak interactions (basically the Higgs–Yukawa sector in the Standard Model). Curiously, the majority of present day solutions to many of the problems in high energy physics obey the tendency of always going beyond the Standard Model (SM); the strong CP problem seems to share the same tendency. However, here we follow a different philosophy and carefully scrutinize the structure of the SM, offering an alternative solution to the strong CP problem. Our point of view might be defined as pragmatic as we only study the mass matrices along with the bi-unitary transformations diagonalizing them. Now, before moving to the details of our treatment let us first briefly discuss what the strong CP problem is. A comprehensive review of this problem can be found e. g. in [1] and similar references. The θ parameter of QCD parametrizes the non-equivalence of possible QCD vacua as for non-abelian gauge fields there can be non-vanishing winding numbers defined as

연구 동기 및 목표

• 강한 CP 문제는 표준모형을 초월한 새로운 물리학이 필요로 한다는 일반적인 가정에 도전하기 위해.
• 강한 상호작용 부문에서 관측된 CP 위반의 부재가 양자역학적 질량 행렬의 본질적 구조로 설명될 수 있는지 조사하기 위해.
• 쿼크 질량의 플레버 구조에 대해 최소한의 가정을 할 경우 강한 CP 매개변수 θ가 자연스럽게 억제되는지 판단하기 위해.
• 플레버 퍼즐과 강한 CP 문제 사이에 상관관계가 있으며, 최소한의 SU(3) 플레버 대칭 프레임워크 내에서 동시에 해결될 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 쿼크 질량 행렬의 구조를 이단위 변환에 의해 대각화하는 방식으로 분석하기 위해.
• 강한 상호작용 부문의 가능한 CP 위반 위상들을 제약하기 위해 양자역학적 행렬의 형태에 대해 최소한의 가정을 적용하기 위해.
• 실험적으로 관측된 바와 같이, 힉스–양자역학 상호작용을 유일한 CP 위반의 원천으로 간주하기 위해.
• 쿼크 질량 행렬의 대각화 과정을 따라가며 QCD의 효과적인 θ 매개변수를 평가하기 위해.
• 관측된 쿼크 질량과 혼합 패턴을 설명하기 위해 최소한의 SU(3) 플레버 군의 구조를 가정하기 위해.
• 결과적으로 QCD 라그랑지안에서 발생하는 CP 위반 위상이 자연스럽게 10^-10 이하의 크기로 억제됨을 보여주기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최소한의 표준모형의 양자역학적 행렬의 구조만으로 새로운 대칭이나 장을 도입하지 않고도 강한 CP 문제를 해결할 수 있는가?
• RQ2 히긴스–양자역학 부문은 어떤 역할을 하며, QCD의 θ 매개변수에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 관측된 강한 CP 매개변수의 작고 작은 크기는 쿼크 질량 행렬의 구조에서 자연스럽게 유래되는가?
• RQ4 최소한의 SU(3) 플레버 대칭 모델이 플레버 퍼즐과 QCD에서의 CP 위반 부재를 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ5 약한 상호작용에서 관측된 CP 위반은 QCD의 θ 매개변수의 작고 작은 크기를 설명하는 데 충분한가?

주요 결과

• 최소한의 쿼크 질량 행렬의 구조에 대한 가정 하에 표준모형 내에서 강한 CP 문제는 존재하지 않는다.
• 양자역학적 행렬이 최소한의 플레버 구조로 제약받을 경우 QCD의 효과적인 θ 매개변수는 자연스럽게 10^-10 이하로 억제된다.
• 강한 상호작용 부문에서의 CP 위반은 쿼크 질량과 혼합 각도의 상호작용을 통해만 발생하며, 이는 이미 관측된 플레버 구조에 의해 결정되어 있다.
• 아키온이나 새로운 전역 대칭과 같은 새로운 물리학이 강한 CP 문제를 해결하기 위해 필요로 하지 않는다.
• 최소한의 SU(3) 플레버 군 기반 모델은 플레버 퍼즐과 강한 CP 문제를 동시에 해결할 수 있는 일관된 프레임워크를 제공한다.
• 히긴스–양자역학 부문을 통한 관측된 약한 상호작용에서의 CP 위반은 질량 행렬의 특정한 구조로 인해 QCD에서 큰 CP 위반을 생성할 수 없다.