[論文レビュー] Direct and Indirect Searches for Low-Mass Magnetic Monopoles

Leonard Gamberg, G. Kalbfleisch+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 1999

Superconducting Materials and Applications被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、フェルミラブのE882およびD0共同研究の実験的制限を焦点に、低質量磁気モノポールの直接的および間接的探索を評価する。直接的探索では、衝突機器のデータと物質への結合見積もりを用いて500 GeVのディラックモノポールの探索が可能であるが、オイラー＝ハイゼンベルグラグランジアンを介した仮想モノポールによる間接的探索は、ユニタリティの破れと放射修正不安定性により理論的に欠陥があり、こうした制限は無効であると主張する。

ABSTRACT

Recently, there has been renewed interest in the search for low-mass magnetic monopoles. At the University of Oklahoma we are performing an experiment (Fermilab E882) using material from the old D0 and CDF detectors to set limits on the existence of Dirac monopoles of masses of the order of 500 GeV. To set such limits, estimates must be made of the production rate of such monopoles at the Tevatron collider, and of the binding strength of any such produced monopoles to matter. Here we sketch the still primitive theory of such interactions, and indicate why we believe a credible limit may still be obtained. On the other hand, 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, based on virtual, rather than real processes. 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. We critique the underlying theory, by showing that the cross section violates unitarity at the quoted limits and is unstable with respect to radiative corrections. We therefore believe that no significant limit can be obtained from the current experiments, based on virtual monopole processes.

研究の動機と目的

• 光子-光子散乱における仮想モノポール寄与から得られる低質量磁気モノポールの間接的制限の妥当性を評価すること。
• 双対性を組み合わせたオイラー＝ハイゼンベルグラグランジアンを用いて1 TeV未満のモノポール質量を制限する理論的基盤を評価すること。
• 高横動量光子対に基づくD0共同研究が設定した実験的制限の信憑性を検討すること。
• 旧来的D0およびCDF検出器材料を用いたフェルミラブE882実験における500 GeVディラックモノポールの直接的検出可能性を検討すること。
• 特に結合強度と生成率を考慮した、モノポールと物質の相互作用をモデル化する理論的課題を分析すること。

提案手法

• 電磁的双対性を含む拡張されたオイラー＝ハイゼンベルグラグランジアンを用いて、光子-光子散乱における仮想磁気モノポール寄与をモデル化する。
• 高エネルギー領域における仮想モノポール交換の予測された断面積のユニタリティを評価する。
• 量子補正の下での断面積の安定性をテストする放射修正解析を実施する。
• 約500 GeVの質量を持つ実モノポールのテバトロン衝突機における生成率を推定する。
• 生成されたモノポールが検出器材料にどれほど強く結合するかをモデル化し、E882実験での検出可能性を評価する。
• 理論的予測とD0共同研究による高横動量光子対の非観測データを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 双対性を含むオイラー＝ハイゼンベルグラグランジアンは、低質量磁気モノポールの間接的制限を信頼できる理論的枠組みとして提供できるか？
• RQ2 D0実験のエネルギースケールにおいて、仮想モノポール交換の予測断面積がユニタリティを破るか？
• RQ3 仮想モノポールに基づく理論的不安定性を考慮すると、高横動量光子対の非観測から導かれるモノポール質量制限は物理的に正当化されるか？
• RQ4 テバトロンにおける質量約500 GeVの実ディラックモノポールの生成率と結合特性は何か？
• RQ5 既存の検出器材料を用いたフェルミラブE882実験が、500 GeVの磁気モノポールに対して信頼できる直接的制限を設定できるか？

主な発見

• D0解析で考慮されたエネルギースケールにおいて、光子-光子散乱における仮想モノポール交換の断面積はユニタリティを破るため、理論的枠組みが整合しない。
• 断面積は放射補正の下で不安定であるため、モデルは制限を設定するための予測的パワーを欠いている。
• その結果、D0実験による高横動量光子対の非観測から、1 TeV未満の磁気モノポールに対して信頼できる実験的制限を導くことはできない。
• E882実験における500 GeVディラックモノポールの直接的探索は、生成率と物質への結合の正確な見積もりが得られれば理論的に妥当である。
• 本論文は、直接検出は現実的であるが、仮想モノポールに基づく間接的探索は理論的に不備があり、モノポール質量を制限するために用いるべきではないと結論づける。