一种更轻的 QCD 轴子

我们探讨解决强 CP 问题的轴子是否天然地可以比标准 QCD 轴子轻得多。本文从一般有效轴子耦合的角度考察了 Hook 提出的 $Z_\mathcal{N}$ 对称性，该对称性认为自然界中存在 $\mathcal{N}$ 个由轴子场联系的镜像且简并的世界。我们证明在大的 $\mathcal{N}$ 极限下总势能可安全地用单个余弦近似，并给出了指数压低的轴子质量的解析公式。由此得到的相对于标准 QCD 轴子的所有轴子相互作用的普遍增强，对 ALPS II、IAXO 等众多轴子类粒子实验的前景有强烈影响。我们还分析了有限密度轴子势能，并证明高密度恒星环境中的 $Z_\mathcal{N}$ 非对称背景已经给出了显著的与模型无关的约束：对于轴子标度 $f_a\lesssim 2.4\times10^{15}$ GeV，有 $3\le\mathcal{N}\lesssim47$；利用未来的中子星和引力波数据，对任意 $f_a$ 值均有诱人的发现前景，且可下探至 $\mathcal{N}\sim9$，直至超轻质量区域。此外，我们给出了两种具体的紫外 $Z_\mathcal{N}$ 完备化：一种复合轴子模型和一种具有改进 Peccei-Quinn 品质的 KSVZ 类模型。