[论文解读] Superheavy Light Quarks and the Strong P, T Problem

Frank Wilczek, Guy D. Moore|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本文提出了一种新颖的强CP问题解决方案，利用超重且有效无质量的‘类夸克’——即由一种新的超强规范相互作用（G）束缚的费米子，该相互作用不破坏手征对称性。通过利用G的异常结构及其相关的拓扑动力学，该模型在不引入基本标量场的情况下生成了QCD轴子，通过与G尺度相关的动力学机制自然解释了CP破坏参数θ的微小性。

ABSTRACT

New superstrong forces, analogous to QCD but featuring a larger mass scale, should they exist, would offer new possibilities for addressing the strong P, T, problem. One can implement the "massless quark" solution in a phenomenologically acceptable way, by using a massless quark that is always confined within superheavy particles, and is therefore effectively superheavy: a cryptoquark. Assuming confinement and chiral symmetry breaking from the superstrong dynamics, we find a new mechanism to generate an axion field without introducing new fundamental scalar fields.

研究动机与目标

• 通过引入标准轴子解之外的新机制，解决强P、T问题——即QCD θ参数的非自然小值。
• 探讨是否可将受约束的无质量夸克（因此有效为超重）作为强CP问题的可行解。
• 证明QCD类轴子可从新的超强相互作用G中动力学产生，而无需基本标量场或微调。
• 表明轴子的质量尺度由G的动力学尺度决定，从而提供一个可能的高能标、现象学上可行的轴子候选。

提出的方法

• 引入一个新的超强规范群G，其质量尺度Λ_G ≫ Λ_QCD，该群束缚了携带G和SU(3)_c量子数的无质量费米子（类夸克）。
• 利用G在SU(3)_c下的异常结构，生成拓扑项∝ θ' ∫F ∧ F，通过Nambu-Goldstone机制导致动力学轴子的产生。
• 构建一个包含两个向旋U(1)对称性（用于类重子数）的模型，并引入具有Peccei-Quinn对称性的标量场φ_Q、φ_S以触发自发对称性破缺。
• 表明双线性形式⟨Q̄_L Q_R⟩和⟨S̄_L S_R⟩的凝聚诱导了φ_Q和φ_S的真空期望值，从而导致由Λ_G决定质量尺度的动力学轴子。
• 证明由此产生的轴子场源于G的剩余U_A(1)异常，该异常为拓扑性质，与瞬子效应相关。
• 证明轴子是稳定的，并与胶子耦合，其质量由G的动力学决定，而非显式标量质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可通过引入新的超强相互作用，在不引入基本标量场的情况下解决强CP问题？
• RQ2 在保持手征对称性的束缚规范理论中，动力学轴子如何产生？
• RQ3 类夸克——即无质量但被束缚的费米子——在生成θ参数问题的自然解中起什么作用？
• RQ4 轴子的质量尺度是否可由新物理尺度Λ_G而非Λ_QCD决定，其现象学后果是什么？
• RQ5 在何种条件下该模型会产生单个轴子或多个轴子样粒子，它们的耦合有何不同？

主要发现

• 提出了一种生成QCD轴子的新机制，该机制不依赖基本标量场，而是依赖于新超强规范群G的异常结构。
• 轴子作为G在SU(3)_c下的剩余异常所对应的U(1)对称性自发破缺产生的Nambu-Goldstone玻色子而出现，其质量尺度由Λ_G决定。
• 该模型预测，若φ_Q和φ_S均获得真空期望值，由此产生的轴子质量可能处于数百GeV量级，具体取决于Λ_G。
• 轴子与胶子的耦合由G的动力学决定，而非显式耦合，且由于类重子数守恒，该轴子是稳定的。
• 该机制自然将有效θ参数抑制至|θ| < 10⁻¹⁰，与实验约束一致，且无需微调。
• 该模型与低能超对称性和大统一理论相容，可通过G强子的高能产生或奇异衰变过程进行探测。