[論文レビュー] Electroweak Monopole Production at the LHC - a Snowmass White Paper

Y. M. Cho, J. L. Pinfold|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2013

Superconducting Materials and Applications参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、標準模型のU(1)Y×SU(2)ゲージ群の非自明な位相的性質に起因する電弱（チョウ＝メイソン）磁荷モノポールが、LHCで(1/αem)²倍の断面積で生成されるべきであると主張している。これはW⁺W⁻対の生成断面積と比較して顕著に増幅されている。また、非常にイオン化度の高いモノポールを検出可能なモードアル実験が、イオン化軌跡による検出と超伝導量子干渉計（SQUIDs）による磁荷捕集の両方を可能とするため、このようなモノポールの検出に最適であると提唱している。単一イベントからの発見も可能である。

ABSTRACT

We maintain that the search for the electroweak monopole is a key issue in the advancement of our understanding of the standard model. Unlike the Dirac monopole in electrodynamics, which is optional, the electroweak monopole should exist within the framework of the standard model. The mass of the electroweak monopole is estimated to be 5 to 7 TeV, but could be as large as 15 TeV. Above threshold its production rate at the LHC is expected to be relatively large, (1/alpha(em)2) times bigger than that of W+W- pairs. The search for the electroweak monopole is one of the prime motivations of the newest LHC experiment, MoEDAL, which is due to start data taking in 2015.

研究の動機と目的

• 標準模型の枠組み内で電弱モノポール（チョウ＝メイソンモノポール）の理論的存在を確立すること。
• U(1)em部分群の周期が4πであるため、モノポールの磁荷がディラックモノポールの2倍であることを主張すること。
• LHCにおけるモノポール生成断面積が、W⁺W⁻対生成と比較して顕著に増幅されることを示し、検出可能であることを示すこと。
• 非常にイオン化度の高い粒子に対して特異に感度が高いことから、モードアル実験が高イオン化モノポール検出に最適であると主張すること。
• モードアルは核トラック検出器とSQUIDベースの捕集検出器を用いてモノポールを検出でき、磁荷の直接測定と単一イベントからの発見が可能であることを示すこと。

提案手法

• 論文は、ヒッグスダブルレットとゲージ場に球対称なアンザッツを適用したワインバーグ＝サラム模型を用いてモノポール解を導出する。
• チョウ分解を用いたアーベリアン化により、電磁場強度Fμν(em)を含む物理場の言語でラグランジアンを表現する。
• 運動方程式はラグランジアンから導出され、非自明な第二ホモトピー群π₂(SU(2)×U(1)Y/U(1)em) ≅ ℤを持つモノポール解が存在することが示される。
• U(1)emの4π周期性に起因し、モノポールの磁荷は4π/eと計算され、ディラック磁荷の2倍である。
• モードアル検出器は主な検出手法として提案され、プラスチック核トラック検出器（NTDs）を用いて高イオン化度モノポールのイオン化トレースを記録する。
• アルミニウムで作られた捕集検出器を用いてモノポールを捕獲し、定期的に交換・分析した後、SQUID磁気測定法で磁荷を測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準模型は、真空多様体の非自明な第二ホモトピーに起因するトポロジカル磁荷モノポールを予測するか？
• RQ2 電弱モノポールの磁荷は何か？また、ディラックモノポールとはどのように異なるか？
• RQ3 LHCにおける電弱モノポールの生成断面積はどの程度であり、W⁺W⁻対生成などの標準模型過程と比較してどう異なるか？
• RQ4 通常のLHC検出器では急速に吸収される可能性があるにもかかわらず、モードアル実験は電弱モノポールを検出可能か？
• RQ5 モードアルは、捕獲とSQUID検出を用いてモノポールの磁荷を直接測定でき、そのトポロジカル性を確認できるか？

主な発見

• 電弱モノポールは、標準模型におけるトポロジカルソリトンであり、非自明な第二ホモトピー群π₂(SU(2)×U(1)Y/U(1)em) ≅ ℤに起因する。
• U(1)em部分群の4π周期性に起因し、モノポールの磁荷は4π/eであり、ディラック磁荷の2倍である。
• LHCにおける電弱モノポールの生成断面積は、W⁺W⁻対生成の(1/αem)²倍に相当し、顕著に増幅されていると推定される。
• モノポールのイオン化度は最小イオン化粒子（MIP）の約9400倍であり、低流量でも核トラック検出器による検出が可能である。
• モードアルは、NTDアレイまたは捕集検出器で単一イベントによるモノポール検出が可能であり、磁荷分解能は1個の基本電荷の1/100まで達する。
• モードアル実験は、SQUID磁気測定法を用いて磁荷を直接測定できるという点で、コライダー検出器として画期的な能力を持つ。