Эксперимент ATLAS накладывает новые ограничения на магнитные монополи
Магниты, которые мы прикрепляем к холодильнику, имеют одну уникальную характеристику: у них всегда есть как северный, так и южный полюс. Даже если вы попытаетесь разделить магнит пополам, полюса не разделятся — вы получите только два дипольных магнита меньшего размера. Но что, если бы неизвестная частица могла иметь единственный полюс с магнитным зарядом (так называемый магнитный монополь)?
Уже более века физики ищут такие магнитные монополи. Новое исследование коллаборации ATLAS на Большом адронном коллайдере (БАК) накладывает новые ограничения на эти гипотетические частицы, добавляя подсказки для продолжения поиска.
В 1931 году физик Поль Дирак доказал, что существование магнитных монополей согласуется с квантовой механикой и требует, как было замечено, квантования электрического заряда. В 1970-х годах магнитные монополи были также предсказаны новыми теориями, пытавшимися объединить все фундаментальные силы природы, что вдохновило физика Джозефа Полчински заявить, что их существование было «одной из самых безопасных ставок, которые можно сделать в отношении еще невиданной физики».
Магнитные монополи могли присутствовать в ранней Вселенной, но разбавились до незаметно крошечной плотности во время ранней фазы экспоненциального расширения, известной как космическая инфляция.
Исследователи эксперимента ATLAS ищут пары магнитных монополей с массой примерно до 4 тераэлектронвольт (ТэВ). Эти пары могут быть созданы в результате столкновений протонов с энергией 13 ТэВ с помощью двух разных механизмов: «Drell-Yan», при котором виртуальный фотон, образующийся в результате столкновений, создает магнитные монополи, и «фотонного синтеза», при котором два виртуальных фотона, излучаемых протонами, взаимодействуют, создавая магнитные монополи.
Стратегия обнаружения коллаборации основана на теории Дирака, которая гласит, что величина наименьшего магнитного заряда (gD) эквивалентна 68,5-кратной фундаментальной единице электрического заряда, заряду электрона (e). Следовательно, магнитный монополь с зарядом 1gD будет ионизировать вещество аналогично объекту с высоким электрическим зарядом (HECO).
Когда частица ионизирует материал детектора, ATLAS регистрирует выделяемую энергию, которая пропорциональна квадрату заряда частицы.
Следовательно, магнитные монополи или HECO оставляют большие запасы энергии на своих траекториях в детекторе ATLAS. Поскольку детектор ATLAS был разработан для регистрации низкозарядных и нейтральных частиц, определение характеристик этих высокоэнергетических следов жизненно важно для поиска монополей и HECO.
В своем новом исследовании ученые ATLAS проверили полный набор данных эксперимента второго запуска БАКа (2015–2018 гг.) в поисках магнитных монополей и HECO.
В нем использовались датчик переходного излучения детектора и мелкосегментированный электромагнитный калориметр на жидком аргоне. Результат накладывает одни из самых жестких ограничений на скорость производства магнитных монополей.
Поиск был нацелен на монополи с магнитным зарядом 1gD и 2gD и HECO с электрическим зарядом 20e, 40e, 60e, 80e и 100e с массами от 0,2 ТэВ до 4 ТэВ.
По сравнению с предыдущим поиском ATLAS, новый результат получился благодаря более крупному и полному набору данных Run-2. Это также был первый анализ ATLAS, в котором рассматривался механизм образования фотонов.
Не имея в наборе данных никаких свидетельств наличия ни магнитных монополей, ни HECO, исследователи ATLAS установили новые ограничения на скорость производства и массу монополей с магнитным зарядом 1gD и 2gD.
ATLAS остается экспериментом с наибольшей чувствительностью к монополям в этом диапазоне зарядов; меньший эксперимент LHC MoEDAL-MAPP ранее изучал больший диапазон зарядов, а также искал монополи с конечным размером.
Физики ATLAS продолжат свои поиски магнитных монополей и HECO, совершенствуя свои методы поиска и разрабатывая новые стратегии для изучения данных как Run-2, так и Run-3.