[論文レビュー] Difficulties with Photonic Searches for Magnetic Monopoles

Leonard Gamberg, G. Kalbfleisch+1 more|ArXiv.org|May 18, 1998

Experimental and Theoretical Physics Studies参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、フォトンによる磁気モノポール探索の有効性を、Euler-Heisenbergラグランジアンと双対性対称性を用いて検証し、提案された断面積がユニタリティを破っており、放射修正に対して不安定であることを示している。著者らは、正しい結合が相互作用を効果的に弱める結果となり、断面積が無視できるほど小さくなると主張している。その結果、現在のデータからは意味のある実験的制限を導くことはできない。

ABSTRACT

Recently, there have been proposals that the classic Euler-Heisenberg Lagrangian together with duality could be employed to set limits on magnetic monopoles having masses less than 1 TeV. The D0 collaboration at Fermilab has used such a proposal to set mass limits based on the nonobservation of pairs of photons each with high transverse momentum. In this note, we critique the underlying theory, by showing that at the quoted limits the cross section violates unitarity and is unstable with respect to radiative corrections. It is proposed that the correct coupling of magnetic monopoles to photons leads to an effective softening of the interaction, leading to a much smaller cross section, from which no significant limit can be obtained from the current experiments. Previous limits based on virtual monopole loops are similarly criticized.

研究の動機と目的

• フォトン対生成を用いた光磁気モノポールの制限を設定するにあたり、Euler-Heisenbergラグランジアンと双対性を用いる理論的妥当性を評価すること。
• 高運動量フォトン対の非観測に基づくD0共同研究の実験的制限に疑問を呈すること。
• 提案された断面積がユニタリティを破っており、放射修正に対して不安定であることを示すこと。
• 磁気モノポールがフォトンと結合する正しい方法は、強力に抑制された、効果的に弱い相互作用をもたらすと主張すること。

提案手法

• Euler-Heisenberg理論に双対性対称性を組み合わせた有効ラグランジアンを分析し、モノポール-フォトン相互作用をモデル化する。
• 二つのフォトンを介したモノポール対生成の摂動的断面積を評価し、モノポール質量と結合定数に依存する依存関係を特定する。
• 計算された断面積にユニタリティ限界を適用し、提示されたエネルギースケールで限界を超えることを示す。
• 1ループの放射修正解析を実施し、断面積に不安定性と発散が生じることを明らかにする。
• 磁気モノポールがフォトンと結合する有効結合を再検討し、低エネルギーで相互作用が緩和されることを示す。
• 仮想モノポールループに基づく以前の制限と比較し、同様の理論的欠陥を有すると主張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Euler-Heisenbergラグランジアンに双対性を組み合わせた理論は、フォトン対生成による磁気モノポールの制限を設定するのに一貫性を持つフレームワークか？
• RQ2 このフレームワークから導かれた断面積は、現在の実験に関係するエネルギースケールでユニタリティを満たしているか？
• RQ3 放射修正は、モノポール-フォトン過程の予測断面積の安定性にどのように影響するか？
• RQ4 磁気モノポールがフォトンと結合する正しい低エネルギー有効結合は何か？ そしてそれはどのように相互作用を抑制するか？
• RQ5 この理論的アプローチを用いて、現在のフォトン対データから意味のある磁気モノポールの実験的制限を抽出できるか？

主な発見

• D0解析で検討されたエネルギースケールにおいて、二つのフォトンを介したモノポール対生成の提案された断面積はユニタリティを破る。
• 放射修正により断面積が不安定化し、提示された限界で物理的でなく、摂動論的にも無効になる。
• 磁気モノポールがフォトンと結合する正しい方法は、相互作用を効果的に弱める結果となり、断面積が著しく小さくなる。
• その結果、現在のデータからは有意な実験的制限を導くことはできない。
• 仮想モノポールループに基づく以前の制限も、同様の理論的不整合のため無効である。
• 本論文は、このフレームワークを用いた現在のフォトリス探索からは、磁気モノポールに関する信頼できる制約を導くことはできないと結論づける。