Физики ищут магнитные монополи на Большом адронном коллайдере

Физик Джозеф Полчински однажды сказал, что существование частиц — магнитных монополей — это «одна из самых безопасных ставок, которые можно сделать в отношении еще невиданной физики». В поисках этих частиц, обладающих магнитным зарядом и предсказанных несколькими теориями, расширяющими Стандартную модель, сотрудничество MoEDAL на Большом адронном коллайдере (БАК) еще не доказало их существование, но последние открытия знаменуют собой значительный шаг вперед. вперед. Результаты, представленные в двух статьях, размещенных на сервере препринтов arXiv, значительно сужают окно поиска этих гипотетических частиц.

На БАКе пары магнитных монополей могут рождаться при взаимодействии протонов или тяжелых ионов. При столкновениях между протонами они могли образоваться из одного виртуального фотона (механизм Дрелла-Яна) или из слияния двух виртуальных фотонов (механизм фотонного слияния). Пары магнитных монополей также могут быть созданы из вакуума в огромных магнитных полях, создаваемых в результате близких столкновений тяжелых ионов, посредством процесса, называемого механизмом Швингера.

С момента начала сбора данных в 2012 году MoEDAL добилось нескольких успехов, в том числе провело на БАКе первые поиски магнитных монополей, образующихся с помощью механизма фотонного синтеза и механизма Швингера. В одном из своих последних исследований коллаборация MoEDAL искала монополи и объекты с высоким электрическим зарядом (HECO), созданные с помощью механизмов Дрелла-Яна и фотонного синтеза. Поиск был основан на данных о протон-протонных столкновениях, собранных во время второго запуска БАК с использованием полного детектора MoEDAL.

Полный детектор состоит из двух основных систем, чувствительных к магнитным монополям, HECO и другим гипотетическим частицам с высокой ионизацией. Первый может постоянно регистрировать треки магнитных монополей и HECO без фоновых сигналов от частиц Стандартной модели. Эти треки измеряются с помощью оптических сканирующих микроскопов в INFN Bologna.

Вторая система состоит примерно из тонны ловушек, предназначенных для захвата магнитных монополей. Эти объемы захвата, которые делают MoEDAL единственным экспериментом на коллайдере в мире, который может точно и напрямую идентифицировать магнитный заряд магнитных монополей, сканируются в ETH Zurich с помощью магнитометра специального типа, называемого SQUID, для поиска любых захваченных монополей, которые они могут содержать. .

В ходе своего последнего сканирования захваченных объемов команда MoEDAL не обнаружила магнитных монополей или HECO, но установила границы массы и скорости образования этих частиц для различных значений спина частиц, являющегося неотъемлемой формой углового момента. Для магнитных монополей были установлены ограничения по массе для магнитных зарядов, от 1 до 10 раз превышающих основную единицу магнитного заряда, заряд Дирака (gD), и было исключено существование монополей с массами, достигающими примерно 3,9 трлн электронвольт (ТэВ). Для HECO были установлены пределы массы для электрических зарядов от 5e до 350e, где e — заряд электрона, и существование HECO с массами в диапазоне до 3,4 ТэВ было исключено.

«Охват MoEDAL поиска как монополей, так и HECO позволяет сотрудничеству исследовать огромную часть теоретического «пространства открытия» этих гипотетических частиц», — говорит представитель MoEDAL Джеймс Пинфолд.

В своем втором исследовании команда разработчиков моделей сосредоточилась на поиске монополей, образующихся по механизму Швингера, в данных о столкновениях тяжелых ионов, полученных во время первого запуска БАК. В ходе уникальной работы он просканировал выведенный из эксплуатации участок экспериментальной лучевой трубы CMS вместо улавливающих объемов детектора MoEDAL в поисках захваченных монополей. И снова команда ученых не обнаружила монополей, но установила самые строгие на сегодняшний день ограничения по массе для монополей Швингера с зарядом от 2 до 45 ГэВ, исключив существование монополей с массой до 80 ГэВ.

«Жизненно важное значение механизма Швингера заключается в том, что образование составных монополей не подавляется по сравнению с образованием элементарных, как в случае с процессами Дрелла-Яна и фотонного синтеза», — объясняет Джеймс Пинфолд. «Таким образом, если монополи являются составными частицами, этот и наш предыдущий поиск монополя Швингера, возможно, были первой возможностью наблюдать их».

К детектору MoEDAL вскоре присоединится прибор MoEDAL для проникающих частиц, сокращенно MAPP, который позволит эксперименту забросить еще более широкую сеть в поиске новых частиц.