강력한 CP 문제

강력한 CP 문제는 입자 물리학에서 난해한 질문입니다.양자 색역학(QCD)이 CP-대칭성을 유지하는 이유는 무엇입니까?

입자 물리학에서 CP는 전하+패리티 또는 전하-공역 패리티 대칭(C)과 패리티 대칭(P)의 조합)을 나타냅니다.현재 양자 색역학의 수학 공식에 따르면, 강한 상호작용에서 CP-대칭성의 위반이 발생할 수 있다.그러나 강한 교호작용만을 포함하는 어떤 실험에서도 CP-대칭성의 위반이 관찰된 적이 없습니다.QCD에서는 반드시 보존할 필요가 있는 기존의 이유가 없기 때문에 이것은 강력한 CP 문제로 알려진 미세 조정 문제입니다.

강한 CP 문제는 때때로 물리학에서 해결되지 않은 문제로 간주되며, ^[1]^[2]"모든 물리학에서 가장 과소평가된 퍼즐"로 언급되어 왔다.강력한 CP 문제를 해결하기 위해 제안된 몇 가지 해결책이 있습니다.가장 잘 알려진 것은 액시온이라고 불리는 새로운 의사칼라 입자와 관련된 Peccei-Qinn ^[3]이론입니다.

이론.

CP-대칭성은 입자가 반대 입자와 교환되고 그 후 왼손과 오른손 입자가 교환되면 물리학은 변하지 않아야 한다고 말한다.이는 전하 공역 변환을 수행한 후 패리티 변환을 수행하는 것에 해당합니다.이 대칭은 표준 모형에서 약한 상호작용을 통해 깨지는 것으로 알려져 있지만 아직 관찰되지 않은 양자색역학(QCD)을 지배하는 강한 상호작용을 통해 깨질 것으로 예상된다.

QCD에서 CP 위반이 어떻게 발생할 수 있는지를 설명하기 위해 단일 매시브 ^[4]쿼크를 갖는 Yang-Mills 이론을 고려합니다.쿼크에 대해 가능한 가장 일반적인 질량 항은 임의의 위상 $(\$ ${5$ $\theta '$ 에 $me^{i\theta '\gamma _{5}}$ m e $me^{i\theta '\gamma _{5}}$ 5 $(\$ me $^{i\theta_$ ${$ 5})로 $me^{i\theta '\gamma _{5}}$ 쓰여진 복소질량이다.이 경우 이론을 설명하는 라그랑지안은 4개의 항으로 구성된다.

{L}=-{\frac {1}{4}F_{\mu \nu }F^{\mu \nu }+{\theta {g^{2}}{32\pi ^{2}}F_{\mu {F}{\tilde {F}}{\nu } {\psi} {\psi

첫 번째 항과 세 번째 항은 게이지와 쿼크 필드의 CP-대칭 운동 항입니다.네 번째 항은 쿼크 질량 $\theta '\neq 0$ 으로, 0이 아닌 위상에 대해 CP가 0을 위반하는 경우 non $\theta '\neq 0$ 0 $(\$ style \ $theta '\neq$ 0 $)$ 이고 $\theta '\neq 0$ , 두 번째 항은 소위 --항으로 CP-대칭성에 위배됩니다.

쿼크 필드는 $\alpha$ 키랄 변환을 수행하여 다음과 같이 정의할 수 있습니다. $\alpha$ α {\ $displaystyle \alpha$ $}$

\psi '=e^{i\alpha _{5}/2}\psi,\\\bar {psi }=e^{-i\alpha \alpha _{5}/2}

복합질량위상은 운동항은 변경하지 않은 채 $\theta '\rightarrow \theta '-\alpha$ $\theta '\rightarrow \theta '-\alpha$ - $\theta '\rightarrow \theta '-\alpha$ $\theta '\rightarrow \theta '-\alpha$ 만큼 $\theta '\rightarrow \theta '-\alpha$ 변화한다.변환은 또한 키랄 이상과 밀접하게 관련된 효과인 경로 적분 측정값의 변경으로 인해 θ-항을 $\theta \rightarrow \theta +\alpha$ $\theta \rightarrow \theta +\alpha$ + $α(\displaystyle \theta$ \ $rightarrow$ \ $theta$ +\alpha $)$ 로 $\theta \rightarrow \theta +\alpha$ 변경합니다.

그러한 필드 재정의를 통해 CP 위반의 두 원천을 모두 제거할 수 있다면 CP 불변 이론이 될 것이다.But this cannot be done unless $\theta =-\theta '$ . This is because even under such field redefinitions, the combination $\theta '+\theta \rightarrow (\theta '-\alpha )+(\theta +\alpha )=\theta '+\theta$ remains unchanged.예를 들어 매스텀에 의한 CP 위반은 α $\alpha =\theta '$ $\alpha =\theta '$ ′ $\alpha =\theta '$ （ \ $displaystyle \alpha$ = \ $theta$ ' $\alpha =\theta '$ 를 $\alpha =\theta '$ 하면 제거할 수 있지만 모든 CP 위반은 ${\bar {\theta }}$ which ${\bar {\theta }}$ which which which which which which which （ \ $displaystyle$ \ $theta }$ ）에 비례하는 which-term에 도달합니다. 대신 키랄 변환을 통해 제거됩니다.단계 $({$ 를 가진 복합질량을 위반하는 CP. 실제로는 CP 위반을 모두 -기에 포함시켜 실제질량만 처리하는 것이 일반적으로 유용합니다.

Yukawa $Y_{u}$ $(\$ $style$ Y_{ $u})$ 와 $Y_{u}$ $Y_{u}$ Y $(\$ displaystyle Y_{ $d$ 로 질량을 설명하는 6개의 쿼크를 다루는 표준 모델에서 물리적 CP 위반 각도는 $=$ ${\bar {\theta }}=\theta -\arg \det(Y_{u}Y_{d})$ d $)이다.$ 용어는 섭동 이론에 기여하지 않으며, 강한 CP 위반으로 인한 모든 영향은 완전히 비교란적이다.특히 중성자 전기 쌍극자^[5] 모멘트를 발생시킨다.

d_{N}=(5.2회 10^{-16}{\text{e}}\cdot{text{cm}}){\bar {\theta}}}.

쌍극자 모멘트의 현재 실험 상한은 $d_{N}<10^{-26}{\text{e}}\cdot$ N $d_{N}<10^{-26}{\text{e}}\cdot$ < $d_{N}<10^{-26}{\text{e}}\cdot$ - $d_{N}<10^{-26}{\text{e}}\cdot$ e ${\$ < $10 ^$ { - $26 }$ { \ $text$ { e } \ $cdot$ } ^[6] $d_{N}<10^{-26}{\text{e}}\cdot$ 이며, 여기에는 ${\bar {\theta }}<10^{-10}$ ${\bar {\theta }}<10^{-10}$ - ${\bar {\theta }}<10^{-10}$ \ $display$ $style$ { $theta$ } { $10$ } < $10$ ^ { $10$ }}이 필요합니다.각도 $({$ $displaystyle$ ${{displaystyle$ 2 $\pi$ 는 ${\bar {\theta }}$ 0에서 2 $2\pi$ 의 $2\pi$ 의 값을 취할 수 있으므로 특히 작은 값을 갖는 것은 강력한 CP 문제라는 미세 조정 문제입니다.

제안 솔루션

강력한 CP 문제는 쿼크 중 하나가 질량이 ^[7]없는 경우 자동으로 해결됩니다.이 경우 모든 매시브 쿼크 필드에 대해 일련의 키랄 변환을 수행하여 복잡한 매스 위상을 제거한 후 매스리스 쿼크 필드에 대해 다른 키랄 변환을 수행하여 해당 필드에 복잡한 매스 항을 도입하지 않고 잔류 δ항을 제거할 수 있습니다.그러면 이론의 조건을 위반하는 CP가 모두 제거됩니다.이 솔루션의 문제는 모든 쿼크가 격자 계산에 의한 실험적 매칭에서 질량이 큰 것으로 알려져 있다는 것입니다.문제를 해결하기 위해 쿼크 중 하나가 본질적으로 질량이 없다고 해도, 쿼크 질량이 그렇게 작은 값을 차지하도록 요구하는 것은 없기 때문에, 이것은 그 자체로 또 다른 미세 조정 문제일 뿐입니다.

이 문제에 대한 가장 일반적인 해결책은 Peccei-Quinn ^[8]메커니즘을 통해 이루어집니다.이것은 낮은 에너지에서 자연스럽게 깨지는 새로운 지구적 비정상적인 대칭을 도입하여 축선이라고 불리는 유사 골드스톤 보손을 발생시킵니다.축방향 지반 상태는 $=$ 0 $($ {\ $display {\theta$ }}= $0$ 으로 설정함으로써 이론이 CP대칭이 되도록 역동적으로 강제합니다.축방향은 암흑물질의 유력한 후보로 간주되며 축방향 입자도 끈이론에 의해 예측됩니다.

Nelson-Barr ^[9]^[10]모델과 같이 그다지 인기가 없는 제안 솔루션이 존재합니다.CP-대칭성은 정확하지만 낮은 에너지에서는 대칭성이 자연스럽게 깨지는 높은 에너지 스케일에서는 ${\bar {\theta }}=0$ ${\bar {\theta }}=0$ 0 { $style {\theta$ } $=$ 0 으로 ${\bar {\theta }}=0$ 설정됩니다.이러한 모델의 까다로운 부분은 CKM 매트릭스의 CP 파괴 단계가 커지는 반면 낮은 에너지에서 $(\$ 가 작은 상태를 유지하는 ${\bar {\theta }}$ 이유를 설명하는 것입니다.

「」를 참조해 주세요.

레퍼런스

^ Mannel, T. (2–8 July 2006). "Theory and Phenomenology of CP Violation" (PDF). Nuclear Physics B. The 7th International Conference on Hyperons, Charm, and Beauty Hadrons (BEACH 2006). Vol. 167. Lancaster: Elsevier. pp. 170–174. Bibcode:2007NuPhS.167..170M. doi:10.1016/j.nuclphysbps.2006.12.083. Retrieved 15 Aug 2015.
^ "The 'Strong CP Problem' is the Most Underrated Puzzle in All of Physics".
^ Peccei, R.D.; Quinn, H.R. (1977). "CP conservation in the presence of pseudoparticles". Physical Review Letters. 38 (25): 1440–1443. Bibcode:1977PhRvL..38.1440P. doi:10.1103/PhysRevLett.38.1440.
^ Wu, D. (1991). A Brief Introduction to the Strong CP Problem. Austin, Texas, United States. SSCL-548.
^ Schwartz, M.D. "29". Quantum Field Theory and the Standard Model (9 ed.). Cambridge University Press. p. 612. ISBN 9781107034730.
^ Baker, C.A.; Doyle, D.D.; Geltenbort, P.; Green, K.; van der Grinten, M.G.D.; Harris, P.G.; Iaydjiev, P.; Ivanov, S.N.; May, D.J.R. (27 September 2006). "Improved experimental limit on the electric dipole moment of the neutron". Physical Review Letters. 97 (13): 131801. arXiv:hep-ex/0602020. doi:10.1103/PhysRevLett.97.131801. PMID 17026025. S2CID 119431442.
^ Hook, A. (2019-07-22). "TASI Lectures on the Strong CP Problem and Axions". Proceedings of Science. 333. arXiv:1812.02669. doi:10.22323/1.333.0004. Retrieved 2021-12-02.
^ Peccei, R. D. (2008). "The Strong CP Problem and Axions". In Kuster, M.; Raffelt, G.; Beltrán, B. (eds.). Axions: Theory, Cosmology, and Experimental Searches. Lecture Notes in Physics. Vol. 741. pp. 3–17. arXiv:hep-ph/0607268. doi:10.1007/978-3-540-73518-2_1. ISBN 978-3-540-73517-5. S2CID 119482294.
^ Nelson, A. (1984-03-15). "Naturally weak CP violation". Physics Letters B. 136 (5, 6): 387–391. doi:10.1016/0370-2693(84)92025-2. Retrieved 2021-12-02.
^ Barr, S. M. (1984-04-18). "Solving the Strong CP Problem without the Peccei–Quinn Symmetry". Phys. Rev. Lett. 53 (4): 329–332. doi:10.1103/PhysRevLett.53.329. Retrieved 2021-12-02.

[1] Mannel, T. (2–8 July 2006). "Theory and Phenomenology of CP Violation" (PDF). Nuclear Physics B. The 7th International Conference on Hyperons, Charm, and Beauty Hadrons (BEACH 2006). Vol. 167. Lancaster: Elsevier. pp. 170–174. Bibcode:2007NuPhS.167..170M. doi:10.1016/j.nuclphysbps.2006.12.083. Retrieved 15 Aug 2015.

[2] "The 'Strong CP Problem' is the Most Underrated Puzzle in All of Physics".

[3] Peccei, R.D.; Quinn, H.R. (1977). "CP conservation in the presence of pseudoparticles". Physical Review Letters. 38 (25): 1440–1443. Bibcode:1977PhRvL..38.1440P. doi:10.1103/PhysRevLett.38.1440.

[4] Wu, D. (1991). A Brief Introduction to the Strong CP Problem. Austin, Texas, United States. SSCL-548.

[5] Schwartz, M.D. "29". Quantum Field Theory and the Standard Model (9 ed.). Cambridge University Press. p. 612. ISBN 9781107034730.

[6] Baker, C.A.; Doyle, D.D.; Geltenbort, P.; Green, K.; van der Grinten, M.G.D.; Harris, P.G.; Iaydjiev, P.; Ivanov, S.N.; May, D.J.R. (27 September 2006). "Improved experimental limit on the electric dipole moment of the neutron". Physical Review Letters. 97 (13): 131801. arXiv:hep-ex/0602020. doi:10.1103/PhysRevLett.97.131801. PMID 17026025. S2CID 119431442.

[7] Hook, A. (2019-07-22). "TASI Lectures on the Strong CP Problem and Axions". Proceedings of Science. 333. arXiv:1812.02669. doi:10.22323/1.333.0004. Retrieved 2021-12-02.

[8] Peccei, R. D. (2008). "The Strong CP Problem and Axions". In Kuster, M.; Raffelt, G.; Beltrán, B. (eds.). Axions: Theory, Cosmology, and Experimental Searches. Lecture Notes in Physics. Vol. 741. pp. 3–17. arXiv:hep-ph/0607268. doi:10.1007/978-3-540-73518-2_1. ISBN 978-3-540-73517-5. S2CID 119482294.

[9] Nelson, A. (1984-03-15). "Naturally weak CP violation". Physics Letters B. 136 (5, 6): 387–391. doi:10.1016/0370-2693(84)92025-2. Retrieved 2021-12-02.

[10] Barr, S. M. (1984-04-18). "Solving the Strong CP Problem without the Peccei–Quinn Symmetry". Phys. Rev. Lett. 53 (4): 329–332. doi:10.1103/PhysRevLett.53.329. Retrieved 2021-12-02.

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