[论文解读] Axion properties in GUTs

Anne Ernst, Luca Di Luzio+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 28被引用 2

一句话总结

本文研究了在非超对称大统一理论（GUTs）中轴子的性质，具体针对SO(10)和SU(5)模型，通过引入Peccei-Quinn对称性以解决强CP问题，并生成现实的中微子质量与暗物质。该研究从规范耦合统一和宇宙学约束出发，推导出轴子质量与耦合关系，在SU(5) WGG+24F模型中发现了一个狭窄的质量窗口（4.8–6.6 neV，若允许费米子混合矩阵微调则上限可达330 neV），该窗口将被即将开展的ABRACADABRA和CASPEr-Electric等实验探测。

ABSTRACT

We summarize recent studies of realistic nonsupersymmetric Grand Unified Theories (GUTs) extended with a global U(1)_PQ symmetry, so as to accommodate the axion solution to the strong CP problem. Aside from solving the CP problem and unifying the gauge structure of the SM, these models can also yield realistic spectra and mixings, including neutrino masses, and allowing for a consistent cosmological history that accounts for inflation, dark matter and baryogenesis. In our studies of SO(10) and SU(5) theories, we determined the mass and couplings of the axion in terms of the relevant threshold scales, and assessed how the former are constrained from the requirements of gauge coupling unification, proton decay searches and collider bounds. The axion mass ends up being rather constrained for GUT scale axions, particularly in the case of SU(5), and could be probed by upcoming dark matter experiments, such as ABRACADABRA and CASPEr-Electric.

研究动机与目标

• 通过引入Peccei-Quinn（PQ）对称性以解决强CP问题，约束非超对称GUT中的轴子质量。
• 评估规范耦合统一、质子衰变约束与对撞机实验约束是否能预测一个狭窄的轴子质量窗口。
• 评估轴子暗物质的可行性及其在ABRACADABRA和CASPEr-Electric等未来实验中的可探测性。
• 探讨这些模型在暴胀、重子生成及通过真空取向机制产生暗物质方面的宇宙学一致性。
• 确定PQ对称性破缺尺度与GUT尺度的关系，以及这是否能对轴子耦合与质量施加预测性约束。

提出的方法

• 构建扩展了全局U(1)PQ对称性的SO(10)与SU(5) GUT模型，以实现轴子对强CP问题的解决方案。
• 通过规范耦合统一的重整化群分析，追踪其演化并推导出PQ对称性破缺尺度的约束。
• 利用有效场论与非微扰QCD估算，计算轴子与光子（gAγ）及核子（gAD）的耦合。
• 应用来自轴子通过真空取向机制与错相位机制产生的宇宙学约束，对轴子质量施加限制。
• 评估质子衰变分支比及来自Hyper-Kamiokande（HK）等实验的约束，以限制轴子质量。
• 预测未来轴子实验（ABRACADABRA、CASPEr-Electric）对理论预测的轴子参数空间的探测灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在扩展了全局U(1)PQ对称性的SO(10)与SU(5) GUT模型中，轴子的预测质量范围是什么？
• RQ2 规范耦合统一与质子衰变约束如何共同塑造轴子质量的允许参数空间？
• RQ3 是否能通过理论统一尺度独立于宇宙学假设来约束轴子质量？
• RQ4 在这些GUT模型中，轴子与光子及核子的耦合能在多大程度上被预测？
• RQ5 在ABRACADABRA与CASPEr-Electric中，哪一个实验能探测到理论所支持的轴子质量窗口？

主要发现

• 在SU(5) WGG+24F模型中，轴子质量被限制在一个极窄的窗口内（4.8–6.6 neV），若允许费米子混合矩阵微调，则上限可达330 neV。
• 该模型中的轴子质量受到规范耦合统一的强烈约束，这要求存在轻的电弱三重态，并将PQ尺度相对于GUT尺度固定。
• 来自Hyper-Kamiokande（HK）的质子衰变约束预计可探测到p → K+ ν̄通道中高于160 neV的轴子质量，从而可能排除这些质量值。
• 轴子与光子及核子的耦合被精确预测，足以被ABRACADABRA与CASPEr-Electric探测，尤其是在优选质量区域。
• CASPEr-Electric的第三阶段实验可能探测到优选的轴子质量窗口，若搜索策略针对该质量区域进行优化，灵敏度有望提升三倍。
• SU(5) WGG+24F模型可通过直接暗物质探测与HL-LHC及HK的间接对撞机探测，实现对轴子质量窗口的全面探索。