The quest for an intermediate-scale accidental axion and further ALPs

• DOI: 10.1007/jhep06(2014)037
• Publication Date: 2014-06-10T18:52:38Z
• Authors: A. G. Dias; A. C. B. Machado; C. C. Nishi; A. Ringwald; P. Vaudrevange
• Keywords: High Energy Physics - Theory; cosmic background radiation; power spectrum; 01 natural sciences; 7. Clean energy; High Energy Physics - Phenomenology (hep-ph); Axion; photon: coupling; ultraviolet; Discrete and Finite Symmetries; info:eu-repo/classification/ddc/530; energy: low; symmetry breaking: scale; transparency; High Energy Astrophysical Phenomena (astro-ph.HE); operator: suppression; Physics; Particle physics; Symmetry breaking; U(1); High Energy Physics - Phenomenology; symmetry breaking: effect; B-mode; neutrino: right-handed; Physical Sciences; galaxy: cluster; axion-like particles; Astrophysics - High Energy Astrophysical Phenomena; Astrophysics - Cosmology and Nongalactic Astrophysics; Global Symmetries; Nuclear and High Energy Physics; fluctuation: tensor; Cosmology and Nongalactic Astrophysics (astro-ph.CO); Axions; symmetry: discrete; FOS: Physical sciences; symmetry: Peccei-Quinn; Quantum mechanics; Particle Dark Matter and Detection Methods; Cosmic microwave background; 539; Neutrino; 0103 physical sciences; Dark matter; Cosmological Parameters and Dark Energy; Goldstone boson; Particle Physics and High-Energy Collider Experiments; axion: dark matter; beam: polarization; electron: energy: low; electroweak interaction; neutrino: energy: low; Astronomy and Astrophysics; model: axion; Goldstone particle; Electroweak scale; seesaw model; chiral; High Energy Physics - Theory (hep-th); Physics and Astronomy; Beyond Standard Model; Anisotropy; decay constant

La détection récente de l'expérience du polarimètre de fond cosmologique à micro-ondes BICEP2 des fluctuations des tenseurs dans le spectre de puissance en mode B exclut fondamentalement tous les modèles d'axions plausibles où sa constante de désintégration est supérieure à $ 10^{13}$ GeV. De plus, il existe de fortes motivations théoriques, astrophysiques et cosmologiques pour les modèles impliquant, en plus de l'axion, également des particules de type axion (ALP), avec des constantes de désintégration dans la plage d'échelle intermédiaire, entre $ 10^9 $ GeV et $ 10^{13}$ GeV. Ici, nous présentons une analyse générale des modèles avec un axion et d'autres ALP et dérivons des limites sur la taille relative de l'axion et du couplage photonique (et électronique) ALP. Nous discutons de ce que nous pouvons apprendre des mesures des couplages de photons axion et ALP sur les paramètres fondamentaux de l'achèvement ultraviolet sous-jacent de la théorie. Pour ce dernier, nous considérons des extensions du modèle standard dans lesquelles l'axion et le ou les PAL apparaissent comme des pseudo bosons de Nambu-Goldstone provenant de la rupture des symétries chirales globales $U(1)$ ( Peccei-Quinn (PQ)), se produisant accidentellement comme des restes de faible énergie de symétries discrètes exactes. Dans de tels modèles, l'axion et l'ALP supplémentaire sont protégés contre les effets désastreux de rupture de symétrie explicite dus aux opérateurs supprimés à l'échelle de Planck. Les scénarios considérés exploitent des neutrinos lourds droitiers obtenant leur masse par rupture de symétrie PQ et expliquent ainsi la petite masse des neutrinos actifs par une relation de bascule entre l'échelle de rupture de symétrie électrofaible et intermédiaire PQ. Nous montrons quelques modèles qui peuvent accueillir simultanément un candidat de matière noire axionique, un ALP expliquant la transparence anormale de l'univers pour les rayons $ \gamma$ , et un ALP expliquant la ligne gamma 3,55 keV récemment rapportée des galaxies et des amas de galaxies, si les constantes de désintégration respectives sont d'échelle intermédiaire.<br/>يستبعد الاكتشاف الأخير لتجربة مقياس استقطاب الخلفية الكونية الميكروي BICEP2 لتقلبات الموتر في طيف طاقة الوضع B بشكل أساسي جميع نماذج المحاور المعقولة حيث يكون ثابت الاضمحلال أعلى من 10^{ 13 }$ GeV. علاوة على ذلك، هناك دوافع نظرية وفيزيائية فلكية وكونية قوية للنماذج التي تتضمن، بالإضافة إلى المحور، جسيمات شبيهة بالأكسيون (ALPs)، مع ثوابت اضمحلال في نطاق النطاق المتوسط، بين 10^9 $ GeV و 10^{ 13 }$ GeV. هنا، نقدم تحليلاً عاماً للنماذج ذات المحور و ALPs الأخرى ونشتق الحدود على الحجم النسبي للاقتران بين المحور وفوتون ALP (والإلكترون). نناقش ما يمكن أن نتعلمه من قياسات اقترانات فوتونات المحور و ALP حول المعلمات الأساسية للإكمال الأساسي للأشعة فوق البنفسجية للنظرية. بالنسبة لهذا الأخير، نعتبر امتدادات النموذج القياسي الذي يظهر فيه المحور وجبل الألب(جبال الألب) كبوزونات نامبو- جولدستون زائفة من كسر التماثلات المرورية العالمية $U(1)$ (Peccei - Quinn (PQ))، والتي تحدث عن طريق الخطأ كبقايا طاقة منخفضة من التماثلات المنفصلة الدقيقة. في مثل هذه النماذج، يتم حماية المحور و ALP الإضافي من تأثيرات كسر التماثل الصريحة الكارثية بسبب العوامل المكبوتة على مقياس بلانك. تستغل السيناريوهات التي يتم النظر فيها النيوترونات الثقيلة اليمنى للحصول على كتلتها عبر كسر تماثل PQ، وبالتالي تفسر الكتلة الصغيرة للنيوترونات النشطة عبر علاقة متأرجحة بين الضعيف الكهربائي ومقياس كسر تماثل PQ الوسيط. نعرض بعض النماذج التي يمكن أن تستوعب في وقت واحد مرشح المادة المظلمة المحورية، و ALP الذي يشرح الشفافية الشاذة للكون لأشعة $\gamma$، و ALP الذي يشرح خط جاما 3.55 كيلو فولت الذي تم الإبلاغ عنه مؤخرًا من المجرات وعناقيد المجرات، إذا كانت ثوابت الاضمحلال ذات مقياس متوسط.<br/>La reciente detección del experimento de polarímetro de fondo de microondas cósmico BICEP2 de fluctuaciones de tensor en el espectro de potencia en modo B básicamente excluye todos los modelos de axión plausibles donde su constante de decaimiento está por encima de $ 10^{13}$ GeV. Además, existen fuertes motivaciones teóricas, astrofísicas y cosmológicas para modelos que involucran, además del axión, también partículas tipo axión (ALP), con constantes de decaimiento en el rango de escala intermedia, entre $ 10^9 $ GeV y $ 10^{13}$ GeV. Aquí, presentamos un análisis general de modelos con un axión y ALP adicionales y derivamos límites sobre el tamaño relativo del acoplamiento del axión y el fotón ALP (y el electrón). Discutimos lo que podemos aprender de las mediciones de los acoplamientos de fotones del axión y ALP sobre los parámetros fundamentales de la finalización ultravioleta subyacente de la teoría. Para esto último consideramos extensiones del Modelo Estándar en las que el axión y los ALP aparecen como pseudo bosones de Nambu-Goldstone a partir de la ruptura de simetrías quirales globales $U(1)$ (Peccei-Quinn (PQ)), ocurriendo accidentalmente como remanentes de baja energía a partir de simetrías discretas exactas. En tales modelos, el axión y el ALP adicional están protegidos de los desastrosos efectos de ruptura de simetría explícita debido a los operadores suprimidos de la escala de Planck. Los escenarios considerados explotan los neutrinos pesados diestros que obtienen su masa a través de la ruptura de la simetría PQ y, por lo tanto, explican la pequeña masa de los neutrinos activos a través de una relación de sube y baja entre la escala electrodébil y una escala intermedia de ruptura de la simetría PQ. Mostramos algunos modelos que pueden acomodar simultáneamente un candidato a materia oscura de axión, un ALP que explica la transparencia anómala del universo para $\gamma$ -rays, y un ALP que explica la línea gamma de 3,55 keV recientemente informada de galaxias y cúmulos de galaxias, si las respectivas constantes de desintegración son de escala intermedia.<br/>The recent detection of the cosmic microwave background polarimeter experiment BICEP2 of tensor fluctuations in the B-mode power spectrum basically excludes all plausible axion models where its decay constant is above $10^{13}$ GeV. Moreover, there are strong theoretical, astrophysical, and cosmological motivations for models involving, in addition to the axion, also axion-like particles (ALPs), with decay constants in the intermediate scale range, between $10^9$ GeV and $10^{13}$ GeV. Here, we present a general analysis of models with an axion and further ALPs and derive bounds on the relative size of the axion and ALP photon (and electron) coupling. We discuss what we can learn from measurements of the axion and ALP photon couplings about the fundamental parameters of the underlying ultraviolet completion of the theory. For the latter we consider extensions of the Standard Model in which the axion and the ALP(s) appear as pseudo Nambu-Goldstone bosons from the breaking of global chiral $U(1)$ (Peccei-Quinn (PQ)) symmetries, occuring accidentally as low energy remnants from exact discrete symmetries. In such models, the axion and the further ALP are protected from disastrous explicit symmetry breaking effects due to Planck-scale suppressed operators. The scenarios considered exploit heavy right handed neutrinos getting their mass via PQ symmetry breaking and thus explain the small mass of the active neutrinos via a seesaw relation between the electroweak and an intermediate PQ symmetry breaking scale. We show some models that can accommodate simultaneously an axion dark matter candidate, an ALP explaining the anomalous transparency of the universe for $\gamma$-rays, and an ALP explaining the recently reported 3.55 keV gamma line from galaxies and clusters of galaxies, if the respective decay constants are of intermediate scale.<br/>