[论文解读] 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 2

一句话总结

本文通过量子场论中的路径积分方法，推导出在自发性破缺全局U(1)轴向对称性下，含有重dyon（同时携带电荷和磁荷的粒子）的理论中的通用轴子-麦克斯韦方程。结果表明，轴子-电磁相互作用包含超出标准模型的新CP破坏项和轴子依赖项，这些项可调和轴子解与强CP问题之间的矛盾，并与天体物理暗示一致，同时在光穿墙和磁体探测实验中产生独特信号。

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.

研究动机与目标

• 推导在存在同时携带电荷和磁荷的重dyon时，轴子-麦克斯韦方程的最一般形式。
• 通过引入非微扰路径积分方法，解决先前有效场论处理轴子-光子耦合时存在的不一致性。
• 表明轴子-电磁相互作用包含新的耦合项——gaEE、gaMM、gaEM，这些项超越标准模型中的gaγγ耦合。
• 证明这些新项可调和Peccei-Quinn机制对强CP问题的解与天体物理中轴子的暗示之间的矛盾。
• 识别在光穿墙和磁体探测实验中可能出现的独特实验信号，这些信号可间接探测重dyon的存在。

提出的方法

• 使用量子场论的路径积分公式描述同时具有电荷和磁荷的系统，确保洛伦兹不变性，并处理dyon系统固有的非局域性。
• 为重费米子（dyon）路径积分引入恰当的时间表示，实现有效低能拉格朗日量的精确非微扰计算。
• 对重dyon中间态进行精确积分，推导出轴子与电磁场之间的有效相互作用。
• 推导出包含轴子依赖耦合项gaEE、gaMM和gaEM的完整修正麦克斯韦方程组，包括CP破坏贡献。
• 分析路径积分中的边界项和表面贡献，表明θ项不影响外部磁单极子的动力学。
• 证明所得轴子-麦克斯韦方程通过引入来自dyon统计和U(1)规范理论中非阿贝尔类似结构的项，推广了标准形式。

实验结果

研究问题

• RQ1 当模型中包含同时携带电荷和磁荷的重dyon时，轴子-电磁相互作用如何改变？
• RQ2 当存在多个耦合参数（gaEE、gaMM、gaEM）而非仅gaγγ时，轴子-麦克斯韦方程的正确推广形式是什么？
• RQ3 引入dyon诱导项是否能调和Peccei-Quinn机制对强CP问题的解与天体物理中轴子暗示之间的张力？
• RQ4 在光穿墙和磁体探测实验中，这些广义轴子-麦克斯韦方程会产生何种独特实验信号？
• RQ5 路径积分方法如何阐明磁荷理论中非局域性和狄拉克弦的作用？

主要发现

• 推导出的轴子-麦克斯韦方程包含三个独立的耦合参数：gaEE、gaMM和gaEM，推广了标准单参数gaγγ模型。
• 由于dyon的存在，方程中出现了新的CP破坏项，这些项在传统轴子模型中是不存在的。
• 路径积分推导证实，即使存在dyon，轴子-麦克斯韦系统仍保持一致且洛伦兹不变，解决了先前的理论不一致问题。
• 这些新项可调和Peccei-Quinn机制与天体物理中轴子暗示（如来自伽马射线暴或恒星冷却的暗示）之间的矛盾。
• 光穿墙实验可探测gaEM和gaMM耦合，为重dyon的存在提供间接证据。
• 磁体探测实验对gaEE和gaMM项敏感，可通过轴子-光子耦合信号实现对dyon的间接探测。