[論文レビュー] Electromagnetic Couplings of Axions

Anton V. Sokolov, Andreas Ringwald|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、長年にわたり広く信じられてきた「axion-photons結合はe²に比例する単位で量子化されなければならない」という仮定に挑戦し、これまで未知のWilson係数がこれらの相互作用を支配しうることを示している。axion-monopole相互作用を再考し、量子化に関する仮定を緩めることで、以前に無視されてきた項を含む一般的な有効場理論を導出し、axion-photons結合に非量子化された寄与が存在しうることを示している。これにより、axion検出や量子重力の制約に関する新たな実験的シグネチャーが得られる。

ABSTRACT

We show that, contrary to assertions in the literature, the main contribution to the axion-photon coupling need not be quantized in the units proportional to $e^2$. In particular, we discuss a loophole in the argument for this quantization and then provide explicit counterexamples. Hence, we construct a generic axion-photon effective Lagrangian and find that the axion-photon coupling may be dominated by previously unknown Wilson coefficients. We show that this result implies a significant modification of conventional axion electrodynamics and sets new targets for axion experiments. At the core of our theoretical analysis lies a critical reexamination of the interactions between axions and magnetic monopoles. We show that, contrary to claims in the literature, magnetic monopoles need not give mass to axions. Moreover, we find that a future detection of an axion or axion-like particle with certain parameters can serve as evidence for the existence of magnetically charged matter.

研究の動機と目的

• axion-photons結合がe²に比例する単位で量子化されなければならないという広く信じられている信念に挑戦すること。
• この量子化主張の背後にあるWitten効果の議論に、重要な抜け道が存在することを特定すること。
• 従来の無視されていたWilson係数を含む、axion-photons相互作用の一般的な有効場理論（EFT）を構築すること。
• これらの新しい結合がaxion検出実験に与える現象論的影響を調査すること。
• 大規模な対称性を持たず、完全な電荷スピンを持つ量子重力にインspiredされたモデルにおける磁気モノポールとaxion相互作用の役割を検討すること。

提案手法

• Witten効果とそのaxion-photons結合の誘導に果たす役割を再評価し、量子化の標準的議論における重要な抜け道を同定すること。
• 両方の標準的およびWitten効果由来の結合を含む、axion-photons相互作用の一般的な低エネルギー有効場理論（EFT）を構築すること。
• 磁気電荷を含む量子電磁力学（QEMD）を記述するためのZwanzigerの局所ラグランジュアン形式を、双対電磁相互作用に適用すること。
• QEMDにおけるマージナル演算子を分類し、UV理論における重いダイオンから生じるCP奇性項を分析すること。
• Fujikawaの手法とヒートカーネル正則化を用いて、フェルミオンループからのaxion-photons結合の異常係数を計算すること。
• 電荷および表現論に基づいて、axion-photons結合gaAA、gaAB、gaBBの明示的表現を導出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 axion-photons結合がe²単位で量子化されていないWilson係数によって支配される可能性はあるか？
• RQ2 磁気モノポールはaxion-photons結合を生成する役割を果たすが、Witten効果は常に成立するのか？
• RQ3 最小axionモデルですら、axion-photons結合が非量子化可能となる条件は何か？
• RQ4 基底多様体のトポロジーが自明な場合、axion-photons結合はどのように変化するか？
• RQ5 特定の結合特徴を持つaxionの検出が、磁気的電荷を持つ物質の間接的証拠となる可能性はあるか？

主な発見

• axion-photons結合の主な寄与が、以前の仮定とは異なりe²に比例する単位で量子化されなければならないわけではない。
• 2つの異なるaxion-photons結合が存在する：標準的なgaAA結合と、Witten効果によって誘導されるgaAj結合で、後者はe²単位での量子化を必要としない。
• Chern-Simons型結合gaABとgaBBは、それぞれegおよびg²単位で量子化されるが、e²単位ではない。特にトポロジーが自明な場合には完全に非量子化される。
• 磁気モノポールがaxionに質量を与えるとは限らない。axion質量の生成には、非アーベルゲージ理論におけるインスタントン自由度などの追加の度数が必要である。
• CP反発的axion-photons結合は、UV理論における重いダイオンから自然に生じる可能性があり、低エネルギーでのCP破れの新たな源を提供する。
• axion-photons結合の異常係数は、gaAA = Ee²/(4π²va)、gaBB = Mg²₀/(4π²va)、gaAB = Deg₀/(4π²va) として導出され、E、M、Dはフェルミオンループの寄与から計算される。