[论文解读] Electromagnetic Couplings of Axions

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

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 12

一句话总结

本文挑战了长期以来认为轴子-光子耦合必须以 e² 为单位进行量子化的假设，表明此前未知的威尔逊系数可能主导这些相互作用。通过重新审视轴子-磁单极子相互作用并放松对量子化的假设，作者构建了一个通用的有效场论，表明轴子-光子耦合可包含非量子化贡献，从而为轴子探测提供新的实验信号，并对轴子探测与量子引力约束产生新启示。

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.

研究动机与目标

• 挑战广泛持有的观点，即轴子-光子耦合必须以与 e² 成比例的单位进行量子化。
• 识别支撑该量子化主张的威滕效应论证中的关键漏洞。
• 构建一个包含此前被忽视的威尔逊系数的通用有效场论（EFT），用于描述轴子-光子相互作用。
• 探讨这些新耦合对轴子探测实验的物理后果。
• 研究磁单极子与轴子相互作用在无全局对称性且电荷谱完备的量子引力启发模型中的作用。

提出的方法

• 重新评估威滕效应及其在诱导轴子-光子耦合中的作用，识别标准量子化论证中的关键漏洞。
• 构建一个通用的低能有效场论（EFT），用于描述轴子-光子相互作用，包含标准耦合与威滕效应诱导的耦合。
• 应用宗武的局域拉格朗日量形式化方法，描述含磁荷的量子电动力学（QEMD）中的对偶电磁相互作用。
• 对 QEMD 中的边际算符进行分类，并分析来自紫外理论中重的任意子的 CP-奇项。
• 使用福岛方法结合热核正则化，从费米子圈计算轴子-光子耦合的异常系数。
• 以电荷和表示形式显式推导轴子-光子耦合 gaAA、gaAB 和 gaBB 的表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 轴子-光子耦合是否可能由不以 e² 为单位进行量子化的威尔逊系数主导？
• RQ2 磁单极子在生成轴子-光子耦合中起什么作用？威滕效应是否总是适用？
• RQ3 在最小轴子模型中，轴子-光子耦合在何种条件下可为非量子化？
• RQ4 当基流形具有平凡拓扑时，轴子-光子耦合如何变化？
• RQ5 能否通过探测具有特定耦合特征的轴子，作为磁荷物质存在的间接证据？

主要发现

• 轴子-光子耦合的主要贡献不必如以往假设的那样以与 e² 成比例的单位进行量子化。
• 存在两种不同的轴子-光子耦合：标准的 gaAA 耦合与威滕效应诱导的 gaAj 耦合，后者无需以 e² 为单位进行量子化。
• 陈-西蒙斯型耦合 gaAB 和 gaBB 分别以 eg 和 g² 为单位进行量子化，而非 e²；在平凡拓扑情况下，二者均不进行量子化。
• 磁单极子不一定会使轴子获得质量；轴子质量的生成需要额外的瞬子自由度，例如在非阿贝尔规范理论中。
• CP-破坏的轴子-光子耦合可自然地从紫外理论中的重任意子产生，为低能下提供新的 CP 破坏来源。
• 轴子-光子耦合的异常系数被推导为 gaAA = Ee²/(4π²va)，gaBB = Mg²₀/(4π²va)，gaAB = Deg₀/(4π²va)，其中 E、M、D 由费米子圈贡献计算得出。