[论文解读] What does a non-vanishing neutrino mass have to say about the strong CP problem?

P. Q. Hung|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

该论文在EW-νR模型中提出了一种非轴子解法来解决强CP问题，其中通过希格斯单重态在标准模型与镜像夸克之间产生复数Yukawa耦合，从而生成一个微小的CP破坏相位。由于Majorana质量与Dirac质量尺度之比极大，导致 seesaw 抑制效应，使得结果的有效θ̄参数仍低于10⁻¹⁰，同时通过镜 fermion 的衰变产生可探测的LHC信号，表现为位移衰变。

ABSTRACT

A new solution to the strong CP problem with distinct experimental signatures 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 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. $\barθ < 10^{-10}$ 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Peccei-Quinn轴子或在拉格朗日量中显式假设CP守恒的前提下，解决强CP问题。
• 解释为何有效CP破坏参数θ̄ = θQCD + ArgDetM即使在Yukawa耦合为复数的情况下仍低于10⁻¹⁰。
• 证明ArgDetM的微小性自然源于包含镜像费米子与希格斯单重态的模型中所采用的seesaw机制。
• 在EW-νR模型中提供一个可检验的框架，将非零中微子质量与强CP破坏联系起来。
• 表明该模型避免了Nielsen-Ninomiya无解定理，并满足电弱精确性约束。

提出的方法

• 引入一个双-sector框架，包含标准模型（SM）夸克与镜像夸克，二者均在相同的规范群SU(3)×SU(2)×U(1)下变换。
• 引入一个希格斯单重态φS，通过其介导左手中微子SM夸克与右手中微子镜像夸克之间的混合，生成Dirac质量。
• 采用seesaw机制：Dirac质量mD ∝ vS远小于Majorana质量MR ∝ vM，从而导致mν ≈ mD²/MR。
• 从6×6夸克质量矩阵（SM与镜像）中计算CP破坏相位ArgDetM，表明其受mD/MR抑制。
• 假设在小混合极限下对6×6质量矩阵进行对角化，简化为每种夸克类型对应的4×4子块。
• 证明ArgDetM ∝ mν / mquark，由于mD ≪ MR的层次结构，导致θ̄ < 10⁻¹⁰。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不引入Peccei-Quinn轴子或在拉格朗日量中强制CP守恒的前提下解决强CP问题？
• RQ2 为何当Yukawa耦合为复数时，CP破坏相位ArgDetM仍保持低于10⁻¹⁰？
• RQ3 在EW-νR模型中，seesaw机制如何将有效θ̄参数抑制至10⁻¹⁰以下？
• RQ4 该模型是否与电弱精确性数据及LHC现象学一致？
• RQ5 在此框架下，镜像费米子及其位移衰变的实验信号是什么？

主要发现

• 即使Yukawa耦合为复数，由于seesaw抑制mD/MR，有效CP破坏参数θ̄仍保持低于10⁻¹⁰。
• 当希格斯单重态的真空期望值vS → 0时，ArgDetM趋于零，表明θ̄的微小性与seesaw机制直接相关。
• 通过引入与SM费米子形成向量型对的镜像费米子，该模型避免了Nielsen-Ninomiya无解定理。
• 由于Yukawa耦合较小，镜像夸克与轻子可通过fᴹ → f + φS衰变至位移顶点，从而在LHC中形成独特信号。
• 夸克区的CP破坏相位与mν / mquark成正比，而中微子质量通过seesaw机制生成，提供了必要的抑制。
• 该模型与125 GeV希格斯玻色子及电弱精确性约束一致，因为镜像 sector 嵌入在规范不变框架中。