[論文レビュー] Solving the Strong CP Problem with High-Colour Quarks and Composite Axion

Archil Kobakhidze|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 10被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、QCDの高彩色表現におけるベクトル型クォークを用いて、強いCP問題に対する新しいアクシオン解を提案する。特異なクォークが質量を持たない場合、手前のチャージ対称性により強いCP位相は自明にキャンセルされる。もしそのクォークがスカラー結合によって質量を獲得すれば、依然としてCP違反をキャンセルする重い複合アクシオンが出現し、標準の見えないアクシオンとは異なり、コライダーで観測可能な代替策を提供する。このモデルは特徴的な物性的性質と宇宙論的含意を有する。

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.

研究の動機と目的

• 強いCP問題を解決すること。これは、量子色力学においてCP違反パラメータθが実験的に極めて小さい値に制限されているという、長年の問題である。
• 標準の見えないアクシオンフレームワークとは異なる、高彩色クォーク系における動的チャージ対称性の破れを通じたアクシオン生成メカニズムを提案すること。
• 特異クォークの質量がゼロのとき（軽量）または質量を獲得したとき（重い）の両方の状況を検討し、両者とも強いCP位相をキャンセルすることを示すこと。
• 重い複合アクシオンの物性的および宇宙論的含意を調査すること。具体的には、LHCでの信号可能性とバリオジェネシスへの寄与を含む。
• コンfinementを示す高彩色系における動的凝集によって生成される質量スケールのため、階層問題を回避するアクシオン質量生成メカニズムを提供すること。

提案手法

• SU(3)Cの高次元表現Rに属するベクトル型クォークを導入し、U(1)A^Qのチャージ対称性に従う。
• fa ≫ fπ のスケールでクォーク＝反クォーク凝集体⟨Q̄Q⟩によるU(1)A^Qの自発的破れを仮定し、複合擬スカラー・ゴールドストン粒子（アクシオン）を生成する。
• 特異クォークが質量ゼロの場合、Qのチャージ対称性変換により強いCP位相θが自明にキャンセルされ、微調整を要しない。
• 特異クォークが質量を持つ場合、クォークと複素スカラー場φのヤコビ相互作用を導入し、動的生成された現在クォーク質量mQを導入する。
• 複合アクシオン質量の式を導出：ma ≈ 2c^{1/2}_Q √(mQ fa)。mQとfaが大きい場合、アクシオンは重くなることが示される。
• 通常のメソン（π⁰, η）およびスカラーφとの混合が小さいと仮定し、アクシオンがグルーオンおよび光子への主要な結合を持つ明確な状態を保つことを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QCDの非基本的表現における高彩色ベクトル型クォークが、動的チャージ対称性の破れを通じて複合アクシオンを生成できるか？ そして、それが強いCP問題を解決できるか？
• RQ2 標準の見えないアクシオンと比較して、重い複合アクシオンの物性的および宇宙論的含意は何か？
• RQ3 質量を持つクォークの状況下で、アクシオン質量は特異クォーク質量とアクシオン崩壊定数faにどのように依存するか？
• RQ4 重い複合アクシオンは、特に750 GeVの二光子過剰に注目して、高エネルギー衝突装置（LHCなど）で生成または検出可能か？
• RQ5 このモデルは、特異クォークの安定した束縛状態を介して、有効なダークマター候補を許容するか？

主な発見

• 特異クォークが質量ゼロの場合、Qのチャージ対称性変換により強いCP位相は自明にキャンセルされ、複合アクシオンは軽量となり、標準の見えないアクシオンに類似する。
• 特異クォークが複素スカラー場との結合により現在質量mQを獲得した場合、アクシオン質量はma ≈ 2c^{1/2}_Q √(mQ fa)と表され、mQとfaが大きいと重いアクシオンが得られる。
• d(R) = 10以上の場合、fa ≥ TeVとできるため、特にmaが数TeVの範囲にある場合、LHCで観測可能となる可能性がある。
• 重い複合アクシオンはQCD系におけるCP違反を媒介し、ハイパーチャージゲージボソンへの異常結合を通じてバリオジェネシスに寄与する可能性がある。
• 質量スケールがクォーク凝集によって動的に生成されるため、階層問題を自然に回避する。微調整を必要としない。
• 特異クォークの安定した束縛状態は、新たなダークマターの実現可能性を示し、画期的なダークマターのシナリオを提供する。