[論文レビュー] Generic axion Maxwell equations: path integral approach

Anton V. Sokolov, Andreas Ringwald|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 45被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、スカラー荷電磁荷（電磁荷を両方持つ粒子）を有する量子場理論において、重いダイオンを含む系に対して経路積分的手法を用いて一般化されたアキソン-マクスウェル方程式を導出する。標準模型を超える新しいCP対称性破れ項およびアキソン依存項を含むアキソン-電磁気相互作用が示され、これは強CP問題に対するアキソン解法と天体物理学的兆候を整合させるとともに、光を壁の向こうに通す実験およびハロスコープ実験における特徴的なシグネチャを生じる。

ABSTRACT

Using the path integral approach, we derive the low energy interactions between axions and electromagnetic field that arise in models with heavy dyons charged under a spontaneously broken global axial $U(1)$ symmetry. Hence, we obtain generic axion-Maxwell equations relevant for experimental searches. We find that the structure of the axion Maxwell equations could be significantly different compared to what is normally assumed in the literature, as the derived equations feature new axion-dependent terms including CP-violating ones. The new terms can reconcile the Peccei-Quinn solution to the strong CP problem with astrophysical axion hints, as well as give unique signatures in light-shining-through-wall and haloscope experiments. Moreover, via the latter signatures, these experiments can indirectly probe the existence of heavy dyons.

研究の動機と目的

• 電磁荷を両方持つ重いダイオンが存在する系において、最も一般な形のアキソン-マクスウェル方程式を導出すること。
• 摂動的でない経路積分手法を用いて、従来の有効場理論的手法におけるアキソン-光子結合の不整合を解消すること。
• 標準的な gaγγ 以外の新しい結合項 gaEE、gaMM、gaEM がアキソン-電磁気相互作用に含まれることを示すこと。
• これらの新しい項が、Peccei-Quinnによる強CP問題の解決策と天体物理学的アキソンの兆候を調和させられることを示すこと。
• 光を壁の向こうに通す実験およびハロスコープ実験において、重いダイオンの存在を間接的に探査できる独自の実験的シグネチャを特定すること。

提案手法

• 電磁荷を両方持つ系を記述するため、ローレンツ不変性を保ちつつ、ダイオン系に内在する非局所性を扱えるように、量子場理論の経路積分形式を用いる。
• 重いフェルミオン（ダイオン）の経路積分に対して適切な時間表示を導入し、有効な低エネルギーラグランジアンを正確に非摂動的に計算可能にする。
• 重いダイオンの中間状態に対する正確な統合を実行し、アキソンと電磁場の有効相互作用を導出する。
• アキソン依存の結合項 gaEE、gaMM、gaEM を含む、修正されたマクスウェル方程式の完全なセットを導出する。CP対称性破れ項も含まれる。
• 経路積分における境界項および表面寄与を分析し、θ項が外部の磁気モノポールの力学に影響を与えないことを示す。
• 得られたアキソン-マクスウェル方程式が、ダイオンの統計的性質およびU(1)ゲージ理論における非アーベル的構造に起因する新しい項を含むことにより、標準形式を一般化することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電磁荷を両方持つ重いダイオンがモデルに含まれる場合、アキソン-電磁気相互作用はどのように変化するか？
• RQ2 gaγγ ではなく、複数の結合パラメータ（gaEE、gaMM、gaEM）が存在する場合、アキソン-マクスウェル方程式の正しい一般化は何か？
• RQ3 ダイオンに起因する項の導入により、強CP問題に対するPeccei-Quinn解法と天体物理学的アキソンの兆候との間の矛盾を解消できるか？
• RQ4 光を壁の向こうに通す実験およびハロスコープ実験において、これらの一般化されたアキソン-マクスウェル方程式からどのような独自の実験的シグネチャが生じるか？
• RQ5 経路積分的手法により、磁気荷を伴う理論における非局所性およびディラックのストリングの役割はどのように明確化されるか？

主な発見

• 導出されたアキソン-マクスウェル方程式には、標準的な単一パラメータ gaγγ モデルを一般化する3つの異なる結合パラメータ gaEE、gaMM、gaEM が含まれる。
• ダイオンの存在により、従来のアキソンモデルにはない新しいCP対称性破れ項が方程式に現れる。
• 経路積分による導出により、ダイオンを含んでもアキソン-マクスウェル系が一貫性を保ち、ローレンツ不変性を維持することが確認され、従来の理論的不整合が解消される。
• 新しい項により、Peccei-Quinn機構と天体物理学的アキソンの兆候（例：ガンマ線バーストや星の冷却からの兆候）を調和させられる。
• 光を壁の向こうに通す実験は、gaEM および gaMM 結合をプローブ可能であり、重いダイオンの存在を間接的に示す証拠を提供する。
• ハロスコープ実験は、gaEE および gaMM 項に感度を示し、アキソン-光子結合のシグネチャを通じてダイオンの間接的検出が可能になる。