[论文解读] Axion-Photon Coupling Revisited

Jing Sun, Xiao-Gang He|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

本文通過重新定義軸子基底以分離出物理軸子組分，重新探討軸子-光子耦合，修正了先前方法中無意間依賴於非物理的PQ對稱性生成元的問題。通過考慮軸子態中希格斯組分的分數，該研究揭示了非DFSZ軸子模型中 $g_{a\gamma}$ 的更廣闊參數空間，解決了先前估計中的不一致性，並改善了與天文觀測結果的一致性。

ABSTRACT

Among many possibilities, solar axion has been proposed to explain the electronic recoil event excess observed by Xenon1T collaboration, although it has tension with astrophysical observations. The axion couplings, $g_{a\gamma}$, $g_{ae}$ to photon and electron play important roles. The coupling $g_{a\gamma}$ is related to the Peccei-Qiunn (PQ) charges $X_f$ for fermions. In most of the calculations, it is obtained by normalizing to the ratio of QCD anomaly factor $N = TrX_q T(q)$ ($T(q)$ is quarks' $SU(3)_c$ index) and electromagnetic anomaly factor $E = TrX_f Q^2_f N_c$ ($N_c$ is 3 and 1 for quarks and charged leptons respectively). The broken PQ symmetry generator is used in the calculation which does not extract out the component of broken generator in the axion which is ``eaten'' by the $Z$ boson. This accidentally gives the correct results using the physical component of axion due to particle representations in the DFSZ (standard ones), but not in general cases. The basis where physical axion is identified is a more convenient one to use. The fraction of each involved Higgs bosons in axion matters. This leads to a wider parameter space for $g_{a\gamma}$ in beyond the standard DFSZ axion.

研究动机与目标

• 解決因對Peccei-Quinn對稱性自發性破缺生成元處理不當而導致的軸子-光子耦合計算中的不一致性。
• 修正標準方法中計算 $g_{a\gamma}$ 時無意間使用破缺的PQ生成元而非物理軸子組分的問題。
• 將物理軸子態識別為希格斯場的線性組合，從而實現一般模型（超越DFSZ）中 $g_{a\gamma}$ 的準確計算。
• 通過正確考慮軸子波函數中希格斯組分的分數，擴展 $g_{a\gamma}$ 的可行參數空間。
• 通過確保在物理軸子明確分離的基底下計算軸子耦合，改善與天文觀測約束的一致性。

提出的方法

• 在軸子為自發對稱性破缺後明確識別為質量本徵態的基底下重構軸子態。
• 將軸子表達為希格斯場的線性組合，其係數由基礎場的混合角和超荷決定。
• 使用物理軸子組分而非非物理的PQ生成元來計算 $g_{a\gamma}$，以避免基於異常的歸一化中產生的意外抵消。
• 在物理基底下使用PQ荷的跡 $X_f$ 和異常因子 $N = \mathrm{Tr}\, X_q T(q)$、$E = \mathrm{Tr}\, X_f Q_f^2 N_c$ 來推導 $g_{a\gamma}$。
• 考慮每個希格斯玻色子在物理軸子態中的分數，這會在一般模型中改變有效耦合強度，超出標準DFSZ模型的範疇。
• 證明先前方法僅因特定表示結構在DFSZ類模型中產生正確結果，但在一般情況下失效。

实验结果

研究问题

• RQ1 基底的選擇——特別是物理軸子與破缺的PQ生成元之間的差異——如何影響 $g_{a\gamma}$ 的計算？
• RQ2 在非DFSZ模型中，希格斯組分分數在決定有效軸子-光子耦合中的作用為何？
• RQ3 為何標準的基於異常的歸一化方法在DFSZ模型中產生正確結果，但在一般情況下失效？
• RQ4 物理軸子的組成如何影響 $g_{a\gamma}$ 的允許參數空間？
• RQ5 此修正形式化方法對調和Xenon1T實驗過剩與天文觀測約束之間的矛盾有何影響？

主要发现

• 使用破缺PQ生成元計算 $g_{a\gamma}$ 的標準方法僅在DFSZ類模型中產生正確結果，這是因為特定的表示性質，而非一般情況下成立。
• 物理軸子並未與PQ生成元對齊；相反，它是由希格斯場的疊加態組成，其係數取決於模型的希格斯內容。
• 正確識別物理軸子組分可使非DFSZ框架下 $g_{a\gamma}$ 的參數空間顯著擴展。
• 每個希格斯玻色子在物理軸子態中的分數會直接改變有效 $g_{a\gamma}$ 耦合強度，因此在一般情況下無效化了簡單的基於異常的歸一化方法。
• 此重新分析通過允許此前未考慮的耦合值，解決了Xenon1T過剩與天文觀測約束之間的矛盾。