Large Hadron Collider-eksperiment nulstiller på magnetiske monopoler

Den afdøde fysiker Joseph Polchinski sagde engang, at eksistensen af ​​magnetiske monopoler er "et af de sikreste væddemål, man kan gøre om fysik, der endnu ikke er set." I sin søgen efter disse partikler, som har en magnetisk ladning og forudsagt af adskillige teorier, der udvider standardmodellen, har MoEDAL-samarbejdet ved Large Hadron Collider (LHC) endnu ikke bevist, at Polchinski har ret, men dets seneste resultater markerer et betydeligt fremskridt fremad.

Resultaterne, rapporteret i to artikler, der er offentliggjort på arXiv preprint-server, indsnævre søgevinduet for disse hypotetiske partikler betydeligt.

Ved LHC kunne par af magnetiske monopoler produceres i vekselvirkninger mellem protoner eller tunge ioner. Ved kollisioner mellem protoner kunne de dannes ud fra en enkelt virtuel foton (Drell-Yan-mekanismen) eller fusionen af ​​to virtuelle fotoner (fotonfusionsmekanismen). Par af magnetiske monopoler kunne også fremstilles ud fra vakuumet i de enorme magnetfelter, der skabes ved næsten-ulykker sammenstød med tunge ion, gennem en proces kaldet Schwinger-mekanismen.

Siden det begyndte at tage data i 2012, har MoEDAL opnået adskillige førstepladser, herunder at udføre de første søgninger på LHC efter magnetiske monopoler produceret via fotonfusionsmekanismen og gennem Schwinger-mekanismen.

I den første af sine seneste undersøgelser søgte MoEDAL-samarbejdet monopoler og objekter med høj elektrisk ladning (HECO'er) produceret via Drell-Yan og fotonfusionsmekanismer. Søgningen var baseret på proton-proton kollisionsdata indsamlet under kørsel 2 af LHC, ved at bruge den fulde MoEDAL-detektor for første gang.

Fulddetektoren består af to hovedsystemer, der er følsomme over for magnetiske monopoler, HECO'er og andre stærkt ioniserende hypotetiske partikler. Den første kan permanent registrere sporene af magnetiske monopoler og HECO'er uden baggrundssignaler fra standardmodelpartikler. Disse spor måles ved hjælp af optiske scanningsmikroskoper på INFN Bologna.

Det andet system består af omtrent et ton fangstvolumener designet til at fange magnetiske monopoler. Disse indfangningsvolumener – som gør MoEDAL til det eneste kollider-eksperiment i verden, der definitivt og direkte kan identificere magnetiske monopolers magnetiske ladning – scannes på ETH Zürich ved hjælp af en speciel type magnetometer kaldet SQUID for at lede efter eventuelle fangede monopoler, de måtte indeholde. .

I deres seneste scanning af fangstmængderne fandt MoEDAL-teamet ingen magnetiske monopoler eller HECO'er, men det satte grænser for massen og produktionshastigheden af ​​disse partikler for forskellige værdier af partikelspin, en iboende form for vinkelmomentum.

For magnetiske monopoler blev massegrænserne sat for magnetiske ladninger fra 1 til 10 gange den grundlæggende enhed for magnetisk ladning, Dirac-ladningen (gD), og eksistensen af ​​monopoler med masser så høje som omkring 3,9 billioner elektronvolt (TeV) blev udelukket .

For HECO'er blev massegrænserne fastsat for elektriske ladninger fra 5e til 350e, hvor e er elektronladningen, og eksistensen af ​​HECO'er med masser op til 3,4 TeV blev udelukket.

"MoEDALs søgerækkevidde for både monopoler og HECO'er gør det muligt for samarbejdet at overskue et stort stykke af det teoretiske 'opdagelsesrum' for disse hypotetiske partikler," siger MoEDAL-talsmand James Pinfold.

I sin anden seneste undersøgelse koncentrerede MoEDAL-teamet sig om søgningen efter monopoler produceret via Schwinger-mekanismen i kollisionsdata for tunge ioner taget under kørsel 1 af LHC. I en unik bestræbelse scannede den en dekommissioneret sektion af CMS-eksperimentets strålerør i stedet for MoEDAL-detektorens indfangningsvolumener på jagt efter fangede monopoler.

Endnu en gang fandt holdet ingen monopoler, men det satte de hidtil stærkeste massegrænser for Schwinger-monopoler med en ladning mellem 2gD og 45gD, hvilket udelukkede eksistensen af ​​monopoler med masser på op til 80 GeV.

"Den vitale betydning af Schwinger-mekanismen er, at produktionen af ​​sammensatte monopoler ikke undertrykkes sammenlignet med den af ​​elementære, som det er tilfældet med Drell-Yan- og fotonfusionsprocesserne," forklarer Pinfold. "Hvis monopoler er sammensatte partikler, kan denne og vores tidligere Schwinger-monopolsøgning have været de første chancer nogensinde for at observere dem."

MoEDAL-detektoren får snart selskab af MoEDAL Apparatus for Penetrating Particles, forkortet MAPP, som vil give eksperimentet mulighed for at kaste et endnu bredere net i søgen efter nye partikler.

Flere oplysninger: Søg efter stærkt ioniserende partikler i pp-kollisioner under LHC Run-2 ved hjælp af Full MoEDAL-detektoren, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2311.06509

B. Acharya et al, MoEDAL søger i CMS-strålerøret efter magnetiske monopoler produceret via Schwinger-effekten, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2402.15682

Journaloplysninger: arXiv

Leveret af CERN