[论文解读] 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 4

一句话总结

本文评估了对低质量磁单极子的直接与间接搜索，重点关注费米实验室E882和D0合作组的实验限制。文章认为，尽管利用对撞机数据和物质结合能估算，对500 GeV狄拉克单极子的直接搜索是可行的，但基于欧拉-海森伯拉格朗日量中虚单极子贡献的间接方法在理论上存在缺陷，因其违反幺正性且具有辐射不稳定性，导致此类限制无效。

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.

研究动机与目标

• 评估通过光子-光子散射中虚单极子贡献推导出的低质量磁单极子间接限制的可行性。
• 评估将欧拉-海森伯拉格朗日量与对偶性结合以约束1 TeV以下单极子质量的理论基础。
• 检验D0合作组基于高横向动量光子对非观测结果所设定的实验限制的可信度。
• 探讨利用费米实验室E882实验中旧D0和CDF探测器材料直接探测约500 GeV狄拉克单极子的可行性。
• 分析建模单极子与物质相互作用时的理论挑战，特别是结合能与产生率问题。

提出的方法

• 分析通过电磁对偶性扩展的欧拉-海森伯拉格朗日量，以模拟虚磁单极子对光子-光子散射的贡献。
• 评估在高能区域虚单极子交换过程的截面幺正性。
• 进行辐射修正分析，检验截面在量子修正下的稳定性。
• 估算在Tevatron对撞机中约500 GeV质量的实单极子的产生率。
• 建立模型以估算产生的单极子与探测器材料的结合强度，评估其在E882实验中的可探测性。
• 将理论预测与D0合作组关于高pT光子对非观测数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 欧拉-海森伯拉格朗日量结合对偶性能否为设定低质量磁单极子的间接限制提供可靠的理论框架？
• RQ2 在D0实验相关能量尺度下，虚单极子交换在光子-光子散射中的预测截面是否违反幺正性？
• RQ3 考虑到底层模型的理论不稳定性，基于高横向动量光子对非观测结果推导出的单极子质量限制是否具有物理合理性？
• RQ4 Tevatron中约500 GeV质量的实狄拉克单极子的产生率与结合特性为何？
• RQ5 费米实验室E882实验能否利用现有探测器材料对500 GeV磁单极子设定可信的直接限制？

主要发现

• 在D0分析所考虑的能量尺度下，虚单极子交换在光子-光子散射中的截面违反了幺正性，导致该理论框架不一致。
• 该截面在辐射修正下不稳定，表明该模型缺乏用于设定限制的预测能力。
• 因此，无法从D0实验对高pT光子对的非观测结果中可靠地推导出低于1 TeV的磁单极子显著限制。
• 只要能准确估算产生率与物质结合能力，E882实验中对500 GeV狄拉克单极子的直接搜索在理论上仍具可行性。
• 本文结论认为，尽管直接探测是可能的，但基于虚单极子的间接方法在理论上站不住脚，不应被用于约束单极子质量。