[論文レビュー] Magnetic monopoles at the LHC and in the Cosmos

P. Mermod|arXiv (Cornell University)|May 16, 2013

Superconducting Materials and Applications被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、LHCおよび宇宙物質における磁気モノポールの包括的探索を提示し、ATLASのトリガー、MoEDALの核トラックおよび誘導検出器、および新規の極域の火山性堆積岩標本を統合する。地球のバルク物質における磁気モノポールの割合について、1.6×10⁻⁵個/グラムという新たな上限を設定し、以前の隕石探索を上回り、太陽系の初期物質に存在する恒星モノポールをも探査する。

ABSTRACT

The magnetic monopole was postulated in 1931 by Dirac to explain electric charge quantisation. Searches for pair-produced monopoles are performed at accelerator facilities whenever a new energy regime is made available. In addition, monopoles with masses too high to be accessible at colliders would still have been produced in the early Universe and such relics can be searched for either in flight or trapped in matter. Here we discuss recent results and future prospects for direct monopole detection at the LHC and in bulk matter searches, with emphasis on the complementarity between the various techniques. Significant improvements of the results from the ATLAS experiment are expected with the development of new triggers. Dedicated LHC experiments will allow to probe wider ranges of monopole charges and masses: the MoEDAL experiment using both nuclear-track detectors and absorbing arrays, and searches for trapped monopoles in accelerator material. Finally, it is highlighted how the first search for monopoles trapped in polar volcanic rocks allows to set new constraints on the abundance of monopoles bound to matter in the Earth's interior and by extension in the primary material that formed the Solar System.

研究の動機と目的

• 高エネルギー陽子-陽子衝突で生成される磁気モノポールを、複数の補完的検出技術を用いてLHCで探索すること。
• 宇宙物質に閉じ込められた、とりわけ未分化な太陽系物質に存在する恒星モノポールのフラックスおよび濃度を制限すること。
• LHCにおける新しいトリガーおよび検出システムの開発により、高い磁気的電荷および質量を持つモノポールに対する感度を向上させること。
• 初期宇宙に由来するモノポールが地球のマントルに沿って磁気軸に沿って蓄積され、極域の火山性堆積岩で検出可能であるという仮説を検証すること。
• ATLAS、MoEDAL、バルク物質磁気測定法といった複数の実験的手法による、モノポール検出の独立的相互確認を提供すること。

提案手法

• 高電離度を持つ粒子に最適化された新開発のレベル2トリガーを備えたLHCのATLAS検出器を用い、検出可能なモノポールの最小運動エネルギーを300 GeVまで低下させる。
• MoEDAL実験の核トラック検出器および吸収アレイを用い、それぞれイオン化トラックおよび磁気誘導によってモノポールを検出する。
• 磁気モノポールトラッパー（MMT）を用い、超伝導磁力計を備えたアルミ吸収アレイにより、停止したモノポールの磁束変化を検出する。
• 23.4 kgの極域の火山性堆積岩標本を、高感度の超伝導量子干渉計（SQUID）磁力計を用いて分析し、閉じ込められたモノポールを探索する。
• 隕石と火山性堆積岩からのモノポールフラックスの上限を比較し、地球内部における磁気的および重力的焦点効果に起因する濃度差を考慮する。
• 溶岩状態の地球内におけるモノポール移動の理論的モデルを適用し、蓄積領域を予測し、マントル由来の岩石における有効モノポール濃度を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量が4000 GeVを超える、およびディラック単位を超える磁気的電荷を持つモノポールに対して、LHCの感度はどの程度か？
• RQ2 ATLASトリガー系は、500 GeV未満の運動エネルギーを持つモノポールを検出可能に最適化できるか？これにより、長寿命で高質量の粒子の受容性が向上するか？
• RQ3 MMTサブ検出器は、停止したモノポールを検出するのにどの程度効果的か？また、14 TeV陽子-陽子衝突における予想感度はどの程度か？
• RQ4 極域の火山性堆積岩標本を用いて、地球マントルに存在する恒星モノポールの濃度にどの程度の制限を課すことができるか？
• RQ5 サンプルの起源および濃度の違いを考慮すると、火山性堆積岩から導かれるモノポール上限と隕石からのものとを比較して、どのような差が生じるか？

主な発見

• 新規のATLASレベル2トリガーにより、検出可能なモノポールの最小エネルギーが300 GeVまで低下し、長寿命で高質量の粒子に対する感度が顕著に向上した。
• 2012年に設置されたMMTサブ検出器は、LHCで磁気的電荷がディラック単位の4倍までのモノポールを初めて検出可能にした。
• 2014年に設置予定の完全なMMTアレイは、将来的なモノポール発見の強固な独立的相互確認を可能にし、直接的に磁気的性質を測定できる。
• 23.4 kgの極域の火山性堆積岩を用いた調査により、地球のバルク物質におけるモノポール濃度に1.6×10⁻⁵個/グラムという新たな上限を設定し、隕石の上限（2.1×10⁻⁵個/グラム）をわずかに上回った。
• この向上した上限は、地球マントル内での磁気的焦点効果に起因する有効モノポール濃度の約6倍の増加により得られ、サンプル質量の小ささを補って余りある。
• 本研究は、極域の火山性堆積岩が恒星モノポールの探索に実用的かつ補完的であることを示し、太陽系における初期モノポール濃度を覗きこむ唯一無二の窓を提供する。