[論文レビュー] First experimental search for production of magnetic monopoles via the Schwinger mechanism

B. S. Acharya, Jean Alexandre+65 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 24被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、LHCのMoEDAL実験を用いて、Pb-Pb衝突における強い磁場で発生するスウィンガー機構による磁気モノポール（MMs）の最初の実験的探索を提示している。Dirac電荷 1≤g≤3gD で質量が75 GeV/c²未満のモノポールは99.75%信頼水準で除外され、有限サイズのモノポールに対する最初の加速器ベースの質量下限が設定され、従来の境界を大幅に拡張した。

ABSTRACT

Schwinger showed that electrically-charged particles can be produced in a strong electric field by quantum tunnelling through the Coulomb barrier. By electromagnetic duality, if magnetic monopoles (MMs) exist, they would be produced by the same mechanism in a sufficiently strong magnetic field. Unique advantages of the Schwinger mechanism are that its rate can be calculated using semiclassical techniques without relying on perturbation theory, and the finite MM size and strong MM-photon coupling are expected to enhance their production. Pb-Pb heavy-ion collisions at the LHC produce the strongest known magnetic fields in the current Universe, and this article presents the first search for MM production by the Schwinger mechanism. It was conducted by the MoEDAL experiment during the 5.02 TeV/nucleon heavy-ion run at the LHC in November 2018, during which the MoEDAL trapping detectors (MMTs) were exposed to 0.235 nb$^{-1}$ of Pb-Pb collisions. The MMTs were scanned for the presence of magnetic charge using a SQUID magnetometer. MMs with Dirac charges 1$g_D$ $\leq$ $g$ $\leq$ 3$g_D$ and masses up to 75 GeV/c$^2$ were excluded by the analysis. This provides the first lower mass limit for finite-size MMs from a collider search and significantly extends previous mass bounds.

研究の動機と目的

• LHCにおけるPb-Pb重イオン衝突で生成される強い磁場内でのスウィンガー機構による磁気モノポールの生成を探索すること。
• 磁気モノポールが存在する場合、強い磁場内での量子トンネル効果により生成されるという理論的予測を検証すること。これは、強い電場内での電気的粒子生成と類似している。
• 非摂動的スウィンガー機構の計算を用いて、有限サイズの磁気モノポールに対する最初の加速器ベースの質量除外限界を設定すること。
• 素粒子衝突におけるモノポール生成の摂動的断面積推定値の限界を克服し、スウィンガー機構の非摂動的性質を活用すること。
• MoEDALの捕獲検出器（MMTs）とSQUID磁気計測を用いて磁気電荷を検出することで、Dirac電荷が5gD未満のモノポールに感度を持つこと。

提案手法

• Pb-Pb衝突（5.02 TeV/核子）で生成された磁気モノポールを捕獲するため、MoEDAL実験の捕獲検出器（MMTs）を用いた。MMTsは軟磁性材料で構成されている。
• SQUID磁気計測器を用いてMMTを走査し、持続的磁束の存在を確認することで、磁気電荷の有無を検出する。
• 有限サイズのモノポールを想定したスウィンガー機構を用いて、期待されるモノポール生成レートを計算した。非摂動的半古典的技法を組み込んだ。
• Dirac電荷が1gDから5gDのモノポールと、質量が50から85 GeV/c²のモノポールに対して、Fokker-Planck近似（FPA）を用いてモノポール生成をモデル化した。
• 捕獲レート推定において、検出器効率、材料予算、および系誤差を考慮し、実験的および理論的入力に基づいた誤差伝搬を実施した。
• MMTサンプルに対して繰り返しSQUID走査を実施し、誤検出の磁束ジャンプを特定する統計的解析を実施し、偽陰性確率を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおけるPb-Pb衝突で生成される強い磁場内において、スウィンガー機構により磁気モノポールが生成可能か？
• RQ2 スウィンガー機構を用いて、Dirac電荷 1gD ≤ g ≤ 5gD の有限サイズの磁気モノポールに対して、MoEDAL実験の感度はどの程度か？
• RQ3 Pb-Pb衝突の積分断面積0.235 nb⁻¹にさらされた後、MMTで磁気電荷信号が検出されなかったことから、磁気モノポールにどの程度の質量限界を設定できるか？
• RQ4 材料予算および検出器効率の系統的誤差が、モノポール生成の除外限界にどのように影響するか？
• RQ5 スウィンガー機構は、Drell-Yan や光子-光子生成とは異なり、複合磁気モノポールの加速器内検出に実用的で非摂動的代替手法として有効か？

主な発見

• MoEDAL実験は、Dirac電荷 1gD ≤ g ≤ 3gD で質量が75 GeV/c²未満の磁気モノポールを99.75%信頼水準で除外した。
• 本分析により、有限サイズの磁気モノポールに対する最初の加速器ベースの質量下限が設定され、従来の摂動的生成モデルからの境界を大幅に拡張した。
• 1gD 電荷のモノポールに対して、質量が50から100 GeV/c²の範囲では、モデルに応じて1分あたり1.97×10²から1.50×10³の捕獲レートが予想された。
• |g| ≥ 0.5gD のモノポールを検出する際の偽陰性確率は0.2%未満と推定され、SQUID走査システムの高い感度が裏付けられた。
• 材料予算の系統的誤差が誤差予算の主因であり、95%信頼水準での除外領域は拡張データ図4の青色で示された。
• 129個のMMTサンプルにおいても磁気電荷信号は観測されず、外れ値はフェロ磁性不純物や環境ノイズに起因する誤検出の磁束ジャンプとされた。