Теория Печчеи – Куинна

В физике элементарных частиц теория Печчеи-Куинна является хорошо известным и давним предложением для решения сильной CP-проблемы, сформулированной Роберто Печчеи и Хелен Куинн в 1977 году. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} Теория вводит новую аномальную симметрию в Стандартную модель вместе с новым скалярным полем , которое спонтанно нарушает симметрию при низких энергиях, вызывая появление аксиона , который подавляет проблемное CP-нарушение . Эта модель уже давно исключена экспериментами и вместо этого заменена аналогичными моделями невидимых аксионов, которые используют тот же механизм для решения сильной CP-проблемы.

Обзор

Квантовая хромодинамика (КХД) имеет сложную вакуумную структуру, которая приводит к возникновению CP, нарушающего θ-член в лагранжиане . Такой член может иметь ряд непертурбативных эффектов, один из которых заключается в придании нейтрону электрического дипольного момента . Отсутствие этого дипольного момента в экспериментах ^{[ 3 ]} требует, чтобы точная настройка θ-члена была очень маленькой, что известно как сильная CP-проблема. Теория Печчеи – Куинна (PQ), мотивированная решением этой проблемы, вводит новое комплексное скалярное поле. $\varphi$ в дополнение к стандартному дублету Хиггса . ^{[ 4 ]} Это скалярное поле соединяется с кварками d-типа через члены Юкавы , в то время как Хиггс теперь соединяется только с кварками up-типа. Кроме того, вводится новая глобальная киральная аномальная симметрия U(1) — симметрия Печчеи–Квинна, при которой $\varphi$ заряжен, поэтому некоторые фермионы также имеют заряд PQ. Скалярное поле также имеет потенциал

V(\varphi )=\mu ^{2}{\bigg (}|\varphi |^{2}-{\frac {f_{a}^{2}}{2}}{\bigg )}^{2},

где $\mu$ является безразмерным параметром и $f_{a}$ известна как константа распада. Потенциальные результаты в $\varphi$ имеющее ожидание вакуумное математическое $\langle \varphi \rangle =f_{a}/{\sqrt {2}}$ при электрослабом фазовом переходе.

Спонтанное нарушение симметрии симметрии Печчеи – Куинна ниже электрослабого масштаба приводит к возникновению псевдоголдстоуновского бозона, известного как аксион. $a$ , при этом результирующий лагранжиан принимает вид ^{[ 5 ]}

{\mathcal {L}}_{\text{tot}}={\mathcal {L}}_{\text{SM,axions}}+\theta {\frac {g_{s}^{2}}{32\pi ^{2}}}{\tilde {G}}_{b}^{\mu \nu }G_{b\mu \nu }+\xi {\frac {a}{f_{a}}}{\frac {g_{s}^{2}}{32\pi ^{2}}}{\tilde {G}}_{b}^{\mu \nu }G_{b\mu \nu },

где первый член представляет собой Стандартную модель (СМ) и аксионный лагранжиан, который включает аксион-фермионные взаимодействия, возникающие из членов Юкавы. Второй член - это CP, нарушающий θ-член, с $g_{s}$ константа сильной связи , $G_{b\mu \nu }$ тензор напряженности глюонного поля и ${\tilde {G}}_{b\mu \nu }$ тензор двойной напряженности поля. Третий член известен как цветовая аномалия , следствие аномальной симметрии Печчеи – Куинна, при этом $\xi$ определяется выбором зарядов PQ для кварков. Если симметрия также аномальна в электромагнитном секторе, дополнительно будет существовать аномальный член, связывающий аксион с фотонами. Из-за наличия цветовой аномалии эффективная $\theta$ угол изменяется на $\theta +\xi a/f_{a}$ , что приводит к возникновению эффективного потенциала за счет инстантонных эффектов, который в приближении разбавленного газа можно аппроксимировать как

V_{\text{eff}}\sim \cos {\bigg (}\theta +\xi {\frac {\langle a\rangle }{f_{a}}}{\bigg )}.

Чтобы минимизировать энергию основного состояния , аксионное поле выбирает вакуумное математическое ожидание. $\langle a\rangle =-f_{a}\theta /\xi$ , причем аксионы теперь являются возбуждениями вокруг этого вакуума. Это приводит к переопределению поля $a\rightarrow a+\langle a\rangle$ что приводит к отмене $\theta$ угол, динамически решая сильную задачу CP. Важно отметить, что аксион является массивным, поскольку симметрия Печчеи – Куинна явно нарушается киральной аномалией, при этом масса аксиона грубо определяется через массу пиона и константу распада пиона как $m_{a}\approx f_{\pi }m_{\pi }/f_{a}$ .

Невидимые модели аксионов

Чтобы модель Печчеи-Куинна работала, константа распада должна быть установлена на уровне электрослабого масштаба, что приводит к тяжелому аксиону. Наличие такого аксиона уже давно исключено экспериментами, например, из-за ограничений на редкие каонов . распады $K^{+}\rightarrow \pi ^{+}+a$ . ^{[ 6 ]} Вместо этого существует множество модифицированных моделей, называемых моделями невидимых аксионов, которые вводят новое скалярное поле. $\varphi$ независимо от электрослабого масштаба, что обеспечивает гораздо большие значения вакуумного ожидания и, следовательно, очень легкие аксионы.

The most popular such models are the Kim – Shifman – Vainshtein –Zakharov (KSVZ) ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]} и Обед – Фишлер –Средницкий–Житниский (ДФСЗ) ^{[ 9 ]}^{[ 10 ]} модели. Модель KSVZ представляет новый дублет тяжелого кварка с зарядом PQ, приобретающий свою массу за счет члена Юкавы, включающего $\varphi$ . Поскольку в этой модели единственными фермионами, несущими заряд PQ, являются тяжелые кварки, между фермионами SM и аксионом нет связей на уровне дерева. Между тем, модель DFSZ заменяет обычный бозон Хиггса двумя дублетами Хиггса с зарядом PQ, $H_{u}$ и $H_{d}$ , которые придают массу фермионам СМ через обычные члены Юкавы, в то время как новый скаляр взаимодействует со стандартной моделью только через связь четвертого порядка $\varphi ^{2}H_{u}H_{d}$ . Поскольку два дублета Хиггса несут заряд PQ, образующийся аксион соединяется с фермионами SM на уровне дерева.

См. также

Ссылки

^ Печчеи, РД ; Куинн, HR (20 июня 1977 г.). « CP- сохранение в присутствии псевдочастиц» . Письма о физических отзывах . 38 (25): 1440–1443. Бибкод : 1977PhRvL..38.1440P . дои : 10.1103/PhysRevLett.38.1440 .
^ Печчеи, РД ; Куинн, HR (15 сентября 1977 г.). «Ограничения, налагаемые сохранением CP в присутствии псевдочастиц». Физический обзор D . 16 (6): 1791–1797. Бибкод : 1977PhRvD..16.1791P . дои : 10.1103/PhysRevD.16.1791 .
^ Бейкер, Калифорния; Дойл, Д.Д.; Гельтенборт, П.; Грин, К.; ван дер Гринтен, MGD; Харрис, П.Г.; Яйджиев П.; Иванов С.Н.; Мэй, DJR (27 сентября 2006 г.). «Улучшенный экспериментальный предел электрического дипольного момента нейтрона». Письма о физических отзывах . 97 (13): 131801. arXiv : hep-ex/0602020 . Бибкод : 2006PhRvL..97m1801B . doi : 10.1103/PhysRevLett.97.131801 . ПМИД 17026025 . S2CID 119431442 .
^ Марш, DJE (1 июля 2016 г.). «Аксионная космология» . Отчеты по физике . 643 : 1–79. arXiv : 1510.07633 . Бибкод : 2016ФР...643....1М . doi : 10.1016/j.physrep.2016.06.005 . S2CID 119264863 .
^ Печчеи, Р.Д. (2008). «Сильная CP-проблема и аксионы». В Кустере, Маркус; Раффельт, Георг; Бельтран, Берта (ред.). Аксионы: теория, космология и экспериментальные поиски . Конспект лекций по физике. Том. 741. стр. 3–17. arXiv : hep-ph/0607268 . дои : 10.1007/978-3-540-73518-2_1 . ISBN 978-3-540-73517-5 . S2CID 119482294 .
^ Асано, Ю.; Кикутани, Э.; Курокава, С.; Миячи, Т.; Миядзима, М.; Нагашима, Ю.; Шинкава, Т.; Сугимото, С.; Ёсимура, Ю. (3 декабря 1981 г.). «Поиск редкой моды распада K+ -> \pi+vv и аксиона» . Буквы по физике Б. 107 (1–2): 159–162. дои : 10.1016/0370-2693(81)91172-2 .
^ Ким, JE (9 июля 1979 г.). «Синглет слабого взаимодействия и сильная CP-инвариантность» . Физ. Преподобный Летт. 43 (2): 103–107. Бибкод : 1979PhRvL..43..103K . дои : 10.1103/PhysRevLett.43.103 .
^ Шифман, Массачусетс; Вайнштейн А.И.; Захаров В.И. (28 апреля 1980 г.). «Может ли конфайнмент обеспечить естественную CP-инвариантность сильных взаимодействий?» . Ядерная физика Б . 166 (3): 493–506. Бибкод : 1980НуФБ.166..493С . дои : 10.1016/0550-3213(80)90209-6 .
^ Дайн, М.; Фишлер, В.; Средницкий, М. (27 августа 1981 г.). «Простое решение сильной CP-проблемы с безвредным аксионом» . Буквы по физике Б. 104 (3): 199–202. Бибкод : 1981PhLB..104..199D . дои : 10.1016/0370-2693(81)90590-6 .
^ Житницкий А.Р. (1980). «О возможном подавлении аксионно-адронных взаимодействий». Сов. Дж. Нукл. Физ. 31 : 206.

Дальнейшее чтение

Саркар, У. (2008). «Симметрия Печчеи – Куинна». Физика элементарных частиц и астрочастиц . Тейлор и Фрэнсис. стр. 191–197. ISBN 978-1-58488-931-1 .

[1] Печчеи, РД ; Куинн, HR (20 июня 1977 г.). « CP- сохранение в присутствии псевдочастиц» . Письма о физических отзывах . 38 (25): 1440–1443. Бибкод : 1977PhRvL..38.1440P . дои : 10.1103/PhysRevLett.38.1440 .

[2] Печчеи, РД ; Куинн, HR (15 сентября 1977 г.). «Ограничения, налагаемые сохранением CP в присутствии псевдочастиц». Физический обзор D . 16 (6): 1791–1797. Бибкод : 1977PhRvD..16.1791P . дои : 10.1103/PhysRevD.16.1791 .

[3] Бейкер, Калифорния; Дойл, Д.Д.; Гельтенборт, П.; Грин, К.; ван дер Гринтен, MGD; Харрис, П.Г.; Яйджиев П.; Иванов С.Н.; Мэй, DJR (27 сентября 2006 г.). «Улучшенный экспериментальный предел электрического дипольного момента нейтрона». Письма о физических отзывах . 97 (13): 131801. arXiv : hep-ex/0602020 . Бибкод : 2006PhRvL..97m1801B . doi : 10.1103/PhysRevLett.97.131801 . ПМИД 17026025 . S2CID 119431442 .

[4] Марш, DJE (1 июля 2016 г.). «Аксионная космология» . Отчеты по физике . 643 : 1–79. arXiv : 1510.07633 . Бибкод : 2016ФР...643....1М . doi : 10.1016/j.physrep.2016.06.005 . S2CID 119264863 .

[5] Печчеи, Р.Д. (2008). «Сильная CP-проблема и аксионы». В Кустере, Маркус; Раффельт, Георг; Бельтран, Берта (ред.). Аксионы: теория, космология и экспериментальные поиски . Конспект лекций по физике. Том. 741. стр. 3–17. arXiv : hep-ph/0607268 . дои : 10.1007/978-3-540-73518-2_1 . ISBN 978-3-540-73517-5 . S2CID 119482294 .

[6] Асано, Ю.; Кикутани, Э.; Курокава, С.; Миячи, Т.; Миядзима, М.; Нагашима, Ю.; Шинкава, Т.; Сугимото, С.; Ёсимура, Ю. (3 декабря 1981 г.). «Поиск редкой моды распада K+ -> \pi+vv и аксиона» . Буквы по физике Б. 107 (1–2): 159–162. дои : 10.1016/0370-2693(81)91172-2 .

[7] Ким, JE (9 июля 1979 г.). «Синглет слабого взаимодействия и сильная CP-инвариантность» . Физ. Преподобный Летт. 43 (2): 103–107. Бибкод : 1979PhRvL..43..103K . дои : 10.1103/PhysRevLett.43.103 .

[8] Шифман, Массачусетс; Вайнштейн А.И.; Захаров В.И. (28 апреля 1980 г.). «Может ли конфайнмент обеспечить естественную CP-инвариантность сильных взаимодействий?» . Ядерная физика Б . 166 (3): 493–506. Бибкод : 1980НуФБ.166..493С . дои : 10.1016/0550-3213(80)90209-6 .

[9] Дайн, М.; Фишлер, В.; Средницкий, М. (27 августа 1981 г.). «Простое решение сильной CP-проблемы с безвредным аксионом» . Буквы по физике Б. 104 (3): 199–202. Бибкод : 1981PhLB..104..199D . дои : 10.1016/0370-2693(81)90590-6 .

[10] Житницкий А.Р. (1980). «О возможном подавлении аксионно-адронных взаимодействий». Сов. Дж. Нукл. Физ. 31 : 206.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]