[论文解读] 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 4

一句话总结

本文挑战了利用欧拉-海森伯拉格朗日量与对偶性对磁单极子进行光子搜寻的有效性，证明所提出的截面违反幺正性，并在辐射修正下不稳定。文章认为，正确的耦合会导致相互作用有效软化，从而使得截面可忽略不计，无法从现有数据中得出有意义的实验限制。

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.

研究动机与目标

• 评估利用欧拉-海森伯拉格朗日量与对偶性通过光子对产生来设定轻量磁单极子限制的理论有效性。
• 挑战基于未观测到高横动量光子对的D0合作组的实验限制。
• 证明所提出的截面在相关能量尺度下违反幺正性，并在辐射修正下不稳定。
• 论证磁单极子与光子的正确耦合会导致相互作用被强烈抑制，从而实现有效软化。

提出的方法

• 分析由欧拉-海森伯理论与对偶性对称性结合导出的有效拉格朗日量，以建模单极子-光子相互作用。
• 评估通过两光子产生单极子对的微扰截面，识别其对单极子质量与耦合常数的依赖性。
• 将幺正性约束应用于计算得到的截面，表明其在所引用的能量尺度下超过幺正性极限。
• 进行一阶辐射修正分析，揭示截面存在不稳定与发散现象。
• 重新审视磁单极子与光子的有效耦合，表明其在低能下导致相互作用软化。
• 将结果与基于虚单极子圈修正的先前限制进行比较，认为其存在相同的理论缺陷。

实验结果

研究问题

• RQ1 欧拉-海森伯拉格朗日量结合对偶性是否能为通过光子对产生来设定磁单极子限制提供一致的理论框架？
• RQ2 该框架所导出的截面在当前实验相关能量尺度下是否满足幺正性？
• RQ3 辐射修正如何影响单极子-光子过程预测截面的稳定性？
• RQ4 磁单极子与光子的正确低能有效耦合是什么？其如何抑制相互作用？
• RQ5 能否基于此理论方法，从当前光子对数据中提取出对磁单极子的有意义实验限制？

主要发现

• 通过两光子产生单极子对所提出的截面在D0分析所考虑的能量尺度下违反幺正性。
• 辐射修正使截面变得不稳定，导致其在所引用的限制下成为非物理且非微扰的量。
• 磁单极子与光子的正确耦合导致相互作用有效软化，截面被大幅抑制。
• 因此，截面小到无法从现有数据中得出任何显著的实验限制。
• 先前基于虚单极子圈修正的限制也因相同的理论不一致而被同样否定。
• 本文结论认为，基于此理论框架，无法从当前的光子搜寻中得出对磁单极子的可靠约束。