[論文レビュー] Search in 8 TeV proton-proton collisions with the MoEDAL monopole-trapping test array

K. Bendtz, A. Katre+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 21被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、2012年にLHCに設置されたMoEDAL磁気モノポールトラッパー（MMT）テストアレイの初の結果を提示する。8 TeVプロトン-プロトン衝突において磁気モノポールを探索するもので、アルミ棒に捕らえられたモノポールが誘導する持続的電流を超伝導DC-SQUID磁力計で検出する。磁気的電荷がディラック電荷の0.4倍を超えるモノポールについては証拠が得られず、1〜4のディラック電荷範囲および3.5 TeVまでの質量に対して新たな除外限界を確立した。

ABSTRACT

The magnetic monopole appears in theories of spontaneous gauge symmetry breaking and its existence would explain the quantisation of electric charge. MoEDAL is the latest approved LHC experiment, designed to search directly for monopoles produced in high-energy collisions. It has now taken data for the first time. The MoEDAL detectors are based on two complementary techniques: nuclear-track detectors are sensitive to the high-ionisation signature expected from a monopole, and the magnetic monopole trapper (MMT) relies on the stopping and trapping of monopoles inside an aluminium array which is then analysed with a superconducting magnetometer. The first results obtained with the MoEDAL MMT test array deployed in 2012 are presented. This experiment probes monopoles carrying a multiple of the fundamental unit magnetic charge for the first time at the LHC.

研究の動機と目的

• LHCにおける8 TeVプロトン-プロトン衝突から生成される磁気モノポールを、受動的捕らえ込み技術を用いて探索すること。
• アルミ吸収体と超伝導磁力計を用いたモノポールの捕らえ込みと検出の可能性を検証すること。
• 一般用途の検出器では到達できない範囲のモノポール磁気的電荷と質量を探索すること。
• 電磁誘導による直接測定を通じ、バックグラウンドフリーなモノポール磁気的電荷の測定法を確立すること。
• LHCにおいて複数のディラック電荷を持つモノポールに対する初の実験的制約を提供すること。

提案手法

• 11個のアルミボックスからなるテストアレイをLHCbの衝突点付近に設置し、各ボックスに18本の棒を内蔵して磁気モノポールを捕らえる。
• アレイは0.75 fb⁻¹の8 TeVプロトン-プロトン衝突にさらされ、後に回収・分析のための準備がなされた。
• 各アルミ棒は20 cm（ボックス11は長さが混在）のサンプルに切断され、スイス連邦工科大学チューリッヒ校（ETH Zurich）でDC-SQUIDロックス磁力計を用いて走査された。
• 捕らえられたモノポールが誘導する持続的電流を測定し、ディポール基準と薄いソレノイドを用いてキャリブレーションを行い、結果をディラック磁気的電荷単位で表した。
• 各サンプルに対して複数回測定を繰り返し、機器の不安定性に起因する誤検出（偽信号ジャンプ）と本物の信号を区別した。
• データ解析にはオフセット補正と分解能の監視を含め、信頼性を確保し、誤検出の可能性を最小限に抑えた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCで受動的捕らえ込みと誘導技術を用いて、複数のディラック電荷を持つ磁気モノポールを検出可能か？
• RQ2 MMTテストアレイの、ディラック単位を超える磁気的電荷および3.5 TeVまでの質量を持つモノポールに対する感度はいかほどか？
• RQ3 超伝導磁力計は、捕らえられたモノポールに起因する持続的電流を高精度かつ低バックグラウンドで検出可能か？
• RQ4 機器の不安定性は測定の信頼性にどのように影響するか？今後の展開においてはこれをどのように緩和できるか？
• RQ5 現実的な材料的および運動的仮定のもとで、プロトン-プロトン衝突から生成されたモノポールのうち、アルミアレイが停止・捕らえる割合はどの程度か？

主な発見

• 2012年のMMTテストアレイから得られた606個のアルミサンプルすべてで磁気モノポールは検出されなかった。
• 実験では、アルミアレイ内に磁気的電荷がディラック電荷の0.4倍を超えるモノポールの存在が除外された。
• 磁力計の分解能は、0.4gDを超える電荷を持つモノポールを高い信頼性で除外できるほど十分であった。
• 偽信号ジャンプが観測されたが、これらは閉じ込められたフラックス、サンプルの移動、環境的要因などの機器の不安定性に起因することが特定された。
• Drell-Yan生成モデルを仮定した場合、アレイは磁気的電荷がn=1からn=4の間で、質量が3.5 TeVまでのモノポールの0.5％以上を捕らえたと推定された。
• 結果として、誘導によるバックグラウンドフリーな直接的モノポール磁気的電荷測定の可能性が実証され、MoEDAL MMTの本格的展開への道筋が示された。