[论文解读] Domestic Axion

Gia Dvali, Lena Funcke|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 20被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种复合轴子模型，其中轴子完全由标准模型费米子产生，主要成分为η′介子，带有微小的中微子双线性成分（ηᵤ）。Peccei-Quinn对称性通过QCD和中微子凝聚而自发性地破缺，中微子凝聚作为复合希格斯粒子，生成上夸克质量，从而解决强CP问题，同时通过复合希格斯机制保护轴子的平移对称性免受引力异常影响。该模型预测在亚微米距离下存在一种新型的同位素依赖的核子间吸引力。

ABSTRACT

We attempt to identify a phenomenologically viable solution to the strong $CP$ problem in which the axion is composed entirely out of Standard Model fermion species. The axion consists predominantly of the $\eta'$ meson with a minuscule admixture of a pseudoscalar bilinear composite of neutrinos, $\eta_{ u}$. The Peccei-Quinn symmetry is an axial symmetry that acts on the up quark and the neutrino species and is spontaneously broken by the QCD condensate of quarks as well as the condensate of neutrinos triggered by chiral gravitational anomaly. The up-quark mass is spontaneously generated by the neutrino condensate which plays the role of an additional composite Higgs doublet with the compositeness scale of the order of the neutrino masses. Such a scenario is highly economical: it solves the strong $CP$ problem, generates the up-quark and neutrino masses from fermion condensates and simultaneously protects the axion shift symmetry against gravitational anomaly. The phenomenology is different from the standard hidden axion case. One of the experimental signatures is the existence of a gravity-competing isotope-dependent attractive force among nucleons at (sub)micron distances.

研究动机与目标

• 仅使用标准模型费米子解决强CP问题，避免引入标准模型之外的新粒子。
• 通过中微子凝聚解释上夸克质量的起源，替代基本的希格斯双重态。
• 通过类似复合希格斯的机制，保护轴子的平移对称性，使其不受引力异常影响。
• 预测一种新的实验信号：在（亚）微米尺度下，同位素依赖的吸引力。

提出的方法

• 引入一个作用于上夸克和中微子的Peccei-Quinn轴向对称性，该对称性通过QCD和中微子凝聚而自发破缺。
• 将轴子建模为以η′介子为主导的复合态，同时含有由中微子形成的赝标量双线性复合态ηᵤ的微小混杂成分。
• 利用手征引力异常触发中微子凝聚，该凝聚通过复合希格斯机制生成上夸克质量。
• 通过复合凝聚态的结构，确保轴子的平移对称性不受引力异常影响。
• 推导有效低能拉格朗日量，以分析轴子的耦合性质及由此产生的核子-核子相互作用。
• 利用推导出的耦合关系，计算在亚微米距离下由轴子交换介导的同位素依赖的核子间作用力。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以仅使用标准模型费米子解决强CP问题，而无需引入新的基本标量粒子？
• RQ2 如何通过中微子凝聚动态地生成上夸克质量，且与轴子物理一致？
• RQ3 在复合轴子模型中，什么机制保护轴子的平移对称性，使其不受引力异常影响？
• RQ4 此类复合轴子情景下会涌现出何种新颖的实验信号？
• RQ5 在亚微米尺度下，由轴子介导的核子-核子作用力的性质和强度如何？

主要发现

• 轴子主要由η′介子构成，同时含有由中微子形成的赝标量双线性复合态ηᵤ的微小混杂成分。
• 上夸克质量通过中微子凝聚生成，该凝聚态作为具有近似中微子质量标度假的复合希格斯双重态。
• Peccei-Quinn对称性由QCD和中微子凝聚共同自发破缺，确保轴子机制可解决强CP问题。
• 由于复合凝聚态的结构，轴子的平移对称性免受引力异常影响。
• 预测在（亚）微米距离下存在一种新型的同位素依赖的核子间吸引力，其来源于轴子交换。
• 该模型极为简洁，将上夸克质量的生成、轴子动力学以及异常保护统一于单一复合框架之中。