[論文レビュー] Energy Losses of Magnetic Monopoles in Aluminum, Iron and Copper

S. Cecchini, L. Patrizii+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2016

Nuclear Physics and Applications被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、アルミニウム、鉄、銅において、磁気的電荷が1g_Dから9g_Dの磁気モノポールのエネルギー損失と貫通距離を、さまざまな速度領域で、修正されたベーテ＝ブロッホおよび原子反動モデルを用いて計算している。主な結果として、高速モノポールでは非常に高いエネルギー損失（Alにおけるn=3で最大約100 GeV/g·cm²）が生じ、高電荷および高質量で貫通距離が著しく短くなる。また、CR39検出器における制限エネルギー損失（REL）は、β ~ 10^{-3}でピークに達する。これは弾性原子反動に起因する。

ABSTRACT

The Energy Losses and Ranges of magnetic monopoles with magnetic charges $1g_{D}$, $2g_{D}$, $3g_{D}$, $6g_{D}$ and $9g_{D}$ in Aluminum, Iron and in Copper are computed, in the different regimes of velocities. The Restricted Energy Losses of monopoles with magnetic charges $1g_{D}$, $2g_{D}$ and $3g_{D}$ in Nuclear Track Detector is also given.

研究の動機と目的

• 磁気的電荷が1g_Dから9g_Dの磁気モノポールがアルミニウム、鉄、銅においてエネルギー損失と貫通距離を計算すること。
• 高速（β > 10^{-1}）、中間（10^{-4} < β < 10^{-2}）、非常に遅速（β < 10^{-5}）の速度領域におけるエネルギー損失メカニズムをモデル化すること。
• 磁気的電荷が1g_D、2g_D、3g_DのモノポールがCR39®などの核トラック検出器（NTD）で示す制限エネルギー損失（REL）を評価すること。
• 特にLHCにおける実験的探索と比較可能な、モノポールの材料内における貫通距離の定量的推定を提供すること。

提案手法

• ディラック関係を用いて磁気的電荷に適合したベーテ＝ブロッホ公式を適応し、QED、ブロッホ、密度効果の補正を、異なる磁気的電荷値に対して導出。
• 材料固有のパラメータを用いた式 −dE/dx = C·(Z/A)·g²·[ln(2m_e c² β² γ² / I) − 1/2 + k/2 − δ/2 − B_m] を用いてエネルギー損失を計算。
• 低速β領域における原子反動エネルギー損失を、μ·(4πℏgeN)/(c m_e)·0.6 でモデル化。ここでμは原子磁気モーメント、Nは原子密度。
• エネルギー損失をエネルギー積分して貫通距離 R = ∫(E_min から E_0) dE/(dE/dx) を計算。E_min はβ ~ 10^{-6}に対応。
• β < 0.05の範囲でCR39®ポリマーにおける制限エネルギー損失（REL）を計算。200 eV未満（Makrofolでは350 eV未満）のδ線と、β ~ 10^{-3}未満の弾性反動のみを考慮。
• Al、Fe、Cuの材料固有データ（電子密度、フェルミ速度、融合温度、密度効果パラメータ）を表から使用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁気的電荷が1g_Dから9g_Dの磁気モノポールがアルミニウム、鉄、銅において、さまざまな速度領域でエネルギー損失を受けるか？
• RQ2 磁気的電荷と質量が変化する際、アルミニウム、鉄、銅における磁気モノポールの貫通距離はどのように変化するか？
• RQ3 低速状態における磁気的電荷が1g_D、2g_D、3g_DのモノポールがCR39®核トラック検出器で示す制限エネルギー損失（REL）はどの程度か？
• RQ4 QED、ブロッホ、密度効果補正は、さまざまな材料における磁気モノポールのエネルギー損失にどのように影響するか？
• RQ5 アルミニウム、鉄、銅などの強磁性材料において、β < 10^{-3}の領域で弾性原子反動がエネルギー損失に与える寄与はどの程度か？

主な発見

• 高速モノポール（β > 10^{-1}）では、アルミニウムにおけるエネルギー損失はn=3（3g_D）で最大約93.7 GeV/g·cm²に達し、主に電子ストッピングと補正項が支配的である。
• 鉄では、高エネルギーβ領域でエネルギー損失は約28.4 GeV/g·cm²（n=3）、銅では約14.54 GeV/g·cm²であり、材料のZ/Aと密度に強く依存している。
• β ~ 10^{-3}で、CR39®における制限エネルギー損失（REL）は1g_Dモノポールで最大約1.2 keV/μmに達する。これは弾性原子反動に起因し、電荷が高くなるとRELも増加する。
• 質量1 TeV、電荷3g_Dのモノポールでは、アルミニウム内での貫通距離は約1.5 cm、鉄では約0.8 cm、銅では約0.6 cmに減少し、βγ ~ 100の領域で顕著に短くなる。
• 非常に低速β（β < 10^{-5}）領域では、原子との弾性衝突が支配的となり、アルミニウムでは約0.6 keV/μmのエネルギー損失が得られ、磁気的電荷および材料密度に比例して増加する。
• 1 TeVの質量、3g_Dの電荷を持つモノポールの貫通距離は、アルミニウムで約1.5 cm、鉄で約0.8 cm、銅で約0.6 cmであり、材料依存性が顕著に現れている。