[论文解读] The strong CP problem solved by itself due to long-distance vacuum effects

Y. Nakamura, G. Schierholz|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2021

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 20被引用 1

一句话总结

本文提出，强CP问题在QCD中可通过长距离真空效应自然解决，利用梯度流分离红外物理。研究发现，非零真空角θ会导致色荷屏蔽和 confinement 的丧失，导致重整化后的θ在红外区流动至零，从而在无需引入新物理的前提下实现CP守恒。

ABSTRACT

The vacuum of quantum chromodynamics has an incredibly rich structure at the nonperturbative level, which is intimately connected with the topology of gauge fields, and put to a test by the strong CP problem. We investigate the long-distance properties of the theory in the presence of the topological θ term. This is done on the lattice, using the gradient flow to isolate the long-distance modes in the functional integral measure and tracing it over successive length scales. The key point is that the vacuum splits into disconnected topological sectors with markedly different physical characteristics, which gives rise to a nontrivial behavior depending on θ. We find that the color fields produced by quarks and gluons are screened, and confinement is lost, for bare vacuum angles |θ|>0, thus providing a natural solution of the strong CP problem. The renormalized vacuum angle θ is found to flow to zero in the infrared limit, leading to a self-consistent solution within QCD.

研究动机与目标

• 在纯Yang-Mills理论和QCD中不引入新物理的前提下解决强CP问题。
• 通过非微扰方法研究拓扑θ项如何影响QCD的长距离物理。
• 确定在存在θ的情况下，禁闭与CP不变性是否能在红外区共存。
• 检验重整化后的真空角θ是否在重整化群演化下流动至零，从而暗示自然的CP守恒。
• 评估中子电偶极矩和θ-真空中手征对称性的物理意义。

提出的方法

• 在16⁴、24⁴和32⁴格点上，使用β = 6.0的平面元作用量进行格点规范理论计算。
• 应用梯度流将规范场随流时间t演化，分离长距离模式，实现尺度相关的分析。
• 计算流后的能量密度E(t,x)和运行耦合常数αGF(μ)，以追踪重整化群演化。
• 追踪流时间下的拓扑荷Q，识别分离的拓扑规范区。
• 分析αV和θ随尺度μ的依赖关系，利用RG流连接微扰区与红外区。
• 将结果扩展至三味QCD，其中mπ ≈ mK ≈ 410 MeV，确认与连续极限及手征极限外推的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 QCD中存在θ项是否会导致长距离下色荷被屏蔽？
• RQ2 重整化后的真空角θ是否在红外极限下流动至零，从而自洽地解决强CP问题？
• RQ3 不同Q值的拓扑规范区如何影响θ ≠ 0时QCD的长距离行为？
• RQ4 由于双Higgs模型预测的单极子屏蔽，|θ| > 0时是否导致禁闭丧失？
• RQ5 在θ-真空中，手征凝聚和中子电偶极矩的命运如何？它们与θ的RG流有何关联？

主要发现

• 当|θ| > 0时，色荷被屏蔽，屏蔽长度λS ≈ 1/|θ|，表明禁闭性丧失。
• 在θ = 0时，运行耦合常数αV随距离呈二次增长，证实了红外禁闭。
• 重整化后的真空角θ在红外极限下流动至零，提示强CP问题存在自洽解。
• 梯度流保留了长距离物理特性，无需进行样本匹配即可直接研究RG演化。
• 在mπ ≈ 410 MeV的三味QCD中，运行耦合常数αGF(μ)可一致外推至连续极限。
• 在大体积中，|θ| > 0时真空期望值⟨Gaμν G̃aμν⟩θ趋于零，支持红外区CP守恒。