[论文解读] Mirror fermions and the strong CP problem: A new axionless solution and experimental implications

P. Q. Hung|arXiv (Cornell University)|Dec 27, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文提出了一种无轴子的强CP问题解决方案，基于EW-νR模型，其中来自复Yukawa耦合的CP破坏通过跷跷板机制自然抑制。有效θ参数的微小性（⟨θ̄⟩ < 10⁻¹⁰）源于狄拉克质量和马约拉纳质量标度之间的层级关系，导致镜像费米子寿命较长，成为大型强子对撞机（LHC）的关键实验信号。

ABSTRACT

A new solution to the strong CP problem with distinct experimental signatures (long-lived particles) at the LHC is proposed. It is based on the Yukawa interactions between mirror quarks, Standard Model (SM) quarks and Higgs singlets. (Mirror quarks and leptons which include non-sterile right-handed neutrinos whose Majorana masses are proportional to the electroweak scale, form the basis of the EW-$ν_R$ model.) The aforementioned Yukawa couplings can in general be complex and can contribute to $Arg\, Det M$ ($\barθ = θ_{QCD} + Arg\, Det M$) at tree-level. The model contains a Peccei-Quinn-type global symmetry which allows it to rotate away $θ_{QCD}$.The crux of matter in this manuscript is the fact that {\em no matter how large} the CP-violating phases in the Yukawa couplings might be, $Arg\, Det M$ can remain small i.e. $\barθ &lt; 10^{-10}$ for reasonable values of the Yukawa couplings and, in fact, vanishes when the VEV of the Higgs singlet (responsible for the Dirac part of the neutrino mass in the seesaw mechanism) vanishes. The smallness of the contribution to $\barθ$ is {\em principally due} to the smallness of the ratio of the two mass scales in the seesaw mechanism: the Dirac and Majorana mass scales.

研究动机与目标

• 在不引入轴子的前提下解决强CP问题，解决θ̄ < 10⁻¹⁰的微调问题。
• 证明Yukawa耦合中的CP破坏相位不会因质量标度层级而对有效θ参数产生大贡献。
• 在EW-νR模型中识别可实验检验的信号——特别是长寿命镜像费米子。
• 表明跷跷板机制自然抑制ArgDetM，将小θ̄与小中微子质量联系起来。
• 在SM规范群SU(3)×SU(2)×U(1)框架内提供一种避免Nielsen-Ninomiya定理并支持格点实现的理论框架。

提出的方法

• 引入一种类似Peccei-Quinn的全局对称性，可在树图级别将θQCD旋转至零，而无需引入动力学轴子场。
• 利用SM夸克、镜像夸克与Higgs单态之间的Yukawa耦合，在夸克质量矩阵中生成CP破坏相位。
• 通过具有真空期望值vS的Higgs单态应用跷跷板机制，导致小狄拉克质量mD ≪ MR，从而抑制ArgDetM。
• 假设上夸克和下夸克的4×4质量矩阵经对角化处理，包括通过与vS成正比的非对角项实现SM与镜像夸克之间的混合。
• 证明当vS → 0时，ArgDetM消失，且在真实的Yukawa耦合和质量层级下，其值仍小于10⁻¹⁰。
• 预测镜像费米子因与Higgs单态耦合较弱而产生位移顶点衰变，这是其长寿命的直接结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不引入轴子的前提下，仅依靠对称性和质量标度层级来解决强CP问题？
• RQ2 尽管Yukawa耦合中存在大的CP破坏相位，为何对ArgDetM的贡献仍保持微小？
• RQ3 EW-νR模型是否能在SM规范群内提供一种可行且可检验的跷跷板机制框架？
• RQ4 该无轴子解决方案在LHC上的独特实验信号是什么？
• RQ5 跷跷板机制如何将有效θ参数抑制至10⁻¹⁰以下？

主要发现

• 由于跷跷板机制中狄拉克质量与马约拉纳质量标度之比极小，有效θ参数保持在10⁻¹⁰以下。
• 当Higgs单态的真空期望值vS → 0时，ArgDetM消失，表明θ̄的微小性源于跷跷板机制的质量层级。
• 该模型预测了长寿命的镜像夸克和轻子，其衰变发生在位移顶点，为LHC提供了独特的实验信号。
• 该解决方案依赖于一种全局轴向对称性，可在不引入动力学轴子场的前提下将θQCD旋转至零。
• EW-νR模型为SM规范群提供了一致且无异常的扩展，避免了Nielsen-Ninomiya禁止定理。
• Yukawa耦合gSq和gSl < 10⁻⁴的约束导致可观测的长寿命粒子衰变，与LHC LLP研究社区的搜索计划相一致。