[论文解读] Solving the Strong CP Problem with High-Colour Quarks and Composite Axion

Archil Kobakhidze|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 10被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种新颖的轴子解法来解决强CP问题，利用量子色动力学（QCD）中高色荷表示下的矢量型夸克。当奇异夸克为无质量时，通过轴向对称性可平凡地抵消强CP相位；若其通过标量耦合获得质量，则会涌现一种重的复合轴子，仍能抵消CP破坏，为标准隐形轴子提供一种可对撞机探测的替代方案，具有独特的现象学特征和宇宙学意义。

ABSTRACT

I propose a new axionic solution to the strong CP problem which involves a hypothetical vector-like quark(s) in a high-colour representation of the conventional QCD. There are two distinct scenarios. If the current mass of the exotic quark is zero, the strong CP phase can be trivially rotated away. The high-colour quark is `hidden' in various bounds states, the lightest being the composite axion field, with properties similar to the standard invisible axion. If the high-colour quark acquire a non-zero current mass due to the spontaneous chiral symmetry breaking, the composite axion can be heavy, while the strong CP phase is still cancelling out in the vacuum. The phenomenology and cosmological implications of the heavy composite axion differs drastically from the standard invisible axion.

研究动机与目标

• 为解决量子色动力学中一个长期存在的问题——即CP破坏参数θ在实验上被约束为极小值，提出强CP问题的解决方案。
• 提出一种通过高色荷夸克区的动态轴向对称性自发破缺生成轴子的新机制，该机制与标准隐形轴子框架不同。
• 探讨轴子在奇异夸克质量为零时（轻轴子）或获得质量时（重轴子）的两种情形，两者均可抵消强CP相位。
• 研究重复合轴子的现象学与宇宙学后果，包括可能的大型强子对撞机（LHC）信号以及对重子生成的贡献。
• 通过禁闭高色荷区中的动力学凝聚，提供一种无需层次问题的轴子质量生成机制。

提出的方法

• 引入一个在SU(3)C的高维表示R中的矢量型夸克Q，其在U(1)A^Q轴向对称性下变换。
• 假设U(1)A^Q通过夸克-反夸克凝聚⟨Q̄Q⟩在尺度fa ≫ fπ下发生自发破缺，从而产生一个复合的伪戈尔戈内玻色子（轴子）。
• 在奇异夸克无质量的情形下，通过Q的轴向变换可平凡地消除强CP相位θ，从而避免CP破坏且无需微调。
• 在奇异夸克具有质量的情形下，引入一个与Q通过Yukawa相互作用耦合的复标量场φ，从而生成动态的当前夸克质量mQ。
• 推导出复合轴子质量公式：ma ≈ 2c^{1/2}_Q √(mQ fa)，表明当mQ和fa较大时，轴子可为重态。
• 假设与普通介子（π⁰, η）及标量φ的混合较小，确保轴子保持为良好定义的本征态，且主要耦合至胶子和光子。

实验结果

研究问题

• RQ1 在QCD的非基本表示中，高色荷的矢量型夸克是否能通过动力学机制生成一个复合轴子，从而解决强CP问题？
• RQ2 与标准隐形轴子相比，重复合轴子在现象学和宇宙学上的后果是什么？
• RQ3 在奇异夸克具有质量的情形下，轴子质量如何依赖于奇异夸克质量mQ和轴子衰变常数fa？
• RQ4 该复合轴子是否可在高能对撞机（如LHC）中产生或探测，特别是在750 GeV二光子过剩的背景下？
• RQ5 该模型是否可通过奇异夸克的稳定束缚态提供可行的暗物质候选者？

主要发现

• 当奇异夸克无质量时，通过Q的轴向旋转可平凡地抵消强CP相位θ，此时复合轴子为轻态，类似于标准隐形轴子。
• 当奇异夸克通过与复标量场耦合获得当前质量mQ时，轴子质量变为ma ≈ 2c^{1/2}_Q √(mQ fa)，使得轴子可为重态，且满足ma ≤ fa。
• 当d(R) = 10或更高时，fa可达到≥ TeV，使轴子在LHC中可能被探测，特别是当ma处于数TeV量级时。
• 重复合轴子可介导QCD区的CP破坏，并可能通过与超荷规范玻色子的异常耦合对重子生成做出贡献。
• 该模型自然避免了层次问题，因为质量标度是通过夸克凝聚的动力学机制生成，而非微调。
• 奇异夸克的稳定束缚态可能构成可行的暗物质候选者，提供一种新颖的暗物质场景。