[论文解读] Axions and a Gauged Peccei-Quinn Symmetry

Hsin-Chia Cheng, David E. Kaplan|ArXiv.org|Mar 30, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 14

一句话总结

该论文提出了一种在五维时空中通过规范化的 U(1)_{PQ} 对称性自然实现 Peccei-Quinn 对称性的方案，以解决强 CP 问题。该理论包含两个膜，PQ 对称性在标准模型膜上由于膜局部化的 Higgs 机制而成为意外全局对称性。轴子作为伪 Nambu-Goldstone 玻色子出现，其质量受到保护，不受普朗克尺度物理影响。该模型在约 10^{10} GeV 的能量尺度上统一了超对称破缺与 PQ 对称性破缺的尺度，提供了可行的暗物质候选者和对撞机信号。

ABSTRACT

The axion solution to the strong CP problem requires an anomalous global U(1) symmetry. We show that the existence of such a symmetry is a natural consequence of an extra dimension in which a gauged U(1) is spontaneously broken on one of two branes, leaving an accidental global symmetry on the other brane. Depending on where the standard model matter lives, the resulting axion can be either the DFSZ or hadronic type. Gaugino-mediated supersymmetry breaking fits comfortably in our framework. In addition, we present a model in which the supersymmetry-breaking and Peccei-Quinn breaking scales are naturally of the same size.

研究动机与目标

• 解决轴子解强 CP 问题中全局 U(1)_{PQ} 对称性的自然性问题。
• 解释为何该异常的 Peccei-Quinn 对称性虽可能被量子引力破坏，却在低能下仍保持未破缺。
• 在一致的框架中统一超对称破缺与 Peccei-Quinn 对称性破缺的尺度。
• 构建一个轴子质量受保护、不受普朗克尺度算符影响的模型，从而在无需微调的情况下解决强 CP 问题。
• 探索该模型结构所导致的可行暗物质候选者与对撞机信号。

提出的方法

• 在具有两个膜的五维时空中实现规范化的 U(1)_{PQ} 对称性，其中规范玻色子在体中传播。
• 将标准模型场与 Higgs 粒子局域化在一根膜（SM 膜）上，而将 U(1)_{PQ}-带电场局域化在另一根隐藏膜上。
• 在两根膜上通过 Higgs 机制破缺 U(1)_{PQ} 规范对称性，产生 Nambu-Goldstone 模式。
• 物理轴子作为 SM 膜上未破缺的意外全局对称性所对应的无质量模出现。
• 通过确保两膜之间无轻的体场传播，抑制普朗克尺度算符，从而保护轴子质量。
• 利用紧化尺度与膜局部化的软项，自然地在约 10^{10} GeV 的能量尺度上生成 PQ 与超对称破缺尺度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有规范 U(1)_{PQ} 的高维理论中，全局 Peccei-Quinn 对称性能否自然地涌现？
• RQ2 如何保护轴子质量，使其不受可能破坏强 CP 解决方案的普朗克尺度算符影响？
• RQ3 能否在一个统一的框架中自然地统一 Peccei-Quinn 对称性破缺尺度与超对称破缺尺度？
• RQ4 该模型在对撞机与暗物质探测中可能表现出哪些现象学信号？
• RQ5 该模型的结构如何确保 R-Parity 守恒与最轻超对称粒子的稳定性？

主要发现

• 轴子作为 SM 膜上意外全局对称性的伪 Nambu-Goldstone 玻色子出现，其质量因两膜之间无轻的体场连接而受到保护。
• 当紧化长度满足 mL ≈ 32 时，PQ 破缺与超对称破缺尺度自然统一在约 10^{10} GeV 的能量尺度上。
• 根据 SM 物质的局域化位置，该模型可实现 DFSZ 型与强子轴子场景，轴子-光子耦合被 f_{PQ} ~ 10^{12} GeV 抑制。
• 由于 U(1)_{PQ} 电荷分配，R-Parity 自动守恒，所有 SM 超对称场电荷为 +1，仅偶数电荷场破坏对称性。
• 轴ino 与超重的矢量型夸克和轻子均为可行的冷暗物质候选者，而寿命较长的带电 selectron 可能在探测器中产生高度电离的径迹。
• 该模型预测了来自长寿命次轻量超对称粒子衰变为轴ino 的显著对撞机信号，尤其在 gaugino 介导的超对称破缺场景中更为显著。