[論文レビュー] Search for "light" magnetic monopoles

Dikra Bakari, G. Mandrioli|ArXiv.org|Mar 24, 2000

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 16被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、チラルタラヤ高地実験所（標高5230 m）に400 m²の受動型核トラック検出器アレイを設置し、軽い磁気モノポール、ダイオン、ヌクレアライト、Qボルトの探索を提案している。CR39および高温度でエッチング処理されたポリカーボネート検出器を用い、4年間の露出期間でモノポールおよび関連粒子に対してParker限界レベル（10⁻¹⁵ cm⁻² s⁻¹ sr⁻¹）の感度を達成することを目的としている。

ABSTRACT

We propose to implement one passive nuclear track detector array of 400 m^2 at the Chacaltaya High Altitude Laboratory (5230 m a.s.l.). The main purposes of the experiment concern the searches for magnetic monopoles of relatively low masses at the Parker bound level, searches for low mass nuclearites and searches for some supersymmetric dark matter candidates (Q-balls).

研究の動機と目的

• いくつかのGUTおよびSUSYモデルで予測されるが、まだ観測されていない10⁶–10¹⁰ GeVの質量を有する軽い磁気モノポールの探索を目的とする。
• 高地での露出によって大気吸収を低減することで、冷たいダークマターの候補である低質量のヌクレアライトおよびQボルトへの感度を拡張することを目的とする。
• 相対論的モノポールが銀河的または銀河間の磁場で加速されることで、超高エネルギー宇宙線の源となり得るという仮説を検証することを目的とする。
• 大気の被覆を最小限に抑えることで、低速度（β ~ 10⁻⁴）および高磁気電荷（g ≥ 2gD）を有する粒子の検出感度を向上させることを目的とする。
• 長期間の高地での露出により、モノポール、ヌクレアライト、Qボルトに対してParker限界レベル（10⁻¹⁵ cm⁻² s⁻¹ sr⁻¹）のフラックス感度を達成することを目的とする。

提案手法

• CR39とポリカーボネート（Makrofol）を積層した受動型核トラック検出器を400 m²設置し、1 mmのアルミニウム吸収体を用いて粒子種別の区別を図る。
• 24 cm × 24 cmのモジュラー検出器ユニットをアルミニウム蒸着加工を施したポリエチレンバッグで密封し、ドライ空気で満たしてラドン背景を約10倍低減する。
• CR39およびポリカーボネートフィルムのエッチングに、高温（80 °C、8N NaOH）および通常（70 °C、6N NaOH）のプロトコルを用い、粒子の軌跡を露出させる。
• 高倍率双眼スコープを用いた光学顕微鏡によるトラック解析を実施し、迅速な視覚スクリーニングから始めて、詳細な点検を行う。
• Brookhaven AGSから供給される相対論的鉄イオン（1 GeV/nucleon）を用いたキャリブレーションにより、トラック形成および時間経過に伴う安定性を検証する。
• Gran Sassoおよびボローニャの既存のエッチング施設を活用し、合計で月間42 m²のエッチング速度を達成することで、SLIM実験に年間約150 m²を処理できる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高地の核トラック検出器を用いて、10⁶から10¹⁰ GeVの質量を有する軽い磁気モノポールをParker限界のフラックスレベルで検出可能か？
• RQ2 標高5230 mの高地での露出は、地上実験と比較して、低速度・低質量粒子（ヌクレアライトやQボルト）への感度をどのように向上させるか？
• RQ3 質量数A ~ 1000の低質量ヌクレアライトが大気中で経験するエネルギー損失機構および核反応が、検出可能性に与える影響はどの程度か？
• RQ4 高地でのヌクレアライト-空気衝突においてエネルギー損失が抑制されることで、トラックエッチング検出器に検出可能な信号が得られるか？
• RQ5 高地環境下における宇宙線および他のスパラレーション生成物に対する検出器システムのバックグラウンド拒否効率はどの程度か？

主な発見

• チラルタラヤに設置予定の400 m²の検出器アレイは、磁気モノポールに対して10⁻¹⁵ cm⁻² s⁻¹ sr⁻¹の感度を達成すると予想され、Parker限界に一致する。
• 本実験により、特に低質量・低速度粒子に対して、既存の限界よりも1桁以上高い感度が得られ、ヌクレアライトおよびQボルトの検出感度が大幅に向上する。
• 高地での露出により大気被覆が約540 g cm⁻²にまで低減され、低エネルギー吸収を示す粒子の検出が、低地での実験では不可能な場合でも可能になる。
• CR39およびMakrofolポリカーボネートの積層構造により、トラックの形状およびエッチング応答に基づいてモノポール、ダイオン、ヌクレアライトの効果的な区別が可能となる。
• MACRO実験で開発されたエッチングおよび解析プロトコルをSLIMに適応し、予想されるエッチング能力は月間42 m²に達する。
• 1 GeV/nucleonの鉄イオンを用いた予備キャリブレーションにより、実験条件下でのCR39およびMakrofol素材のトラック形成の信頼性および安定性が確認された。