[論文レビュー] Searching for magnetic monopoles trapped in accelerator material at the Large Hadron Collider

M. D. Joergensen, A. De Roeck+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 25被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、陽子-陽子および lead-lead 衝突にさらされた古式の LHC ビームパイプ材料に閉じ込められた磁気モノポールを検出するために、SQUID を用いた磁気計が使用された。複数のキャリブレーション手法を検証し、バックグラウンド信号を評価したが、ディラック電荷のおよそ1/3を超える磁気電荷を持つモノポールは検出されず、今後の検索における下限検出閾値が確立された。

ABSTRACT

If produced in high energy particle collisions at the LHC, magnetic monopoles could stop in material surrounding the interaction points. Obsolete parts of the beam pipe near the CMS interaction region, which were exposed to the products of pp and heavy ion collisions, were analysed using a SQUID-based magnetometer. The purpose of this work is to quantify the performance of the magnetometer in the context of a monopole search using a small set of samples of accelerator material ahead of the 2013 shutdown.

研究の動機と目的

• LHC の加速器材料に閉じ込められた磁気モノポールを検出するための実験的手法を開発および検証すること。
• さまざまな磁気電荷を持つモノポールに対する SQUID を用いた磁気計の感度を定量化すること。
• 試料材料内の大きな磁気双極子モーメントによる誤検出信号を特定および低減すること。
• 2013 年の LHC 停止後、モノポール探索のための加速器材料の取り扱いや解放に必要なプロトコルを確立すること。
• ディラック電荷未満および超過する電荷を持つモノポールの検出可能性を実証すること。

提案手法

• SQUID を用いた磁気計を用いて、ビームパイプ試料に誘導された持続的電流を測定し、磁気電荷による影響を評価した。
• 既知の磁気電荷を持つ擬似モノポール（4.14g_D の標準）を用いてキャリブレーションを行い、機器の応答特性を特定した。
• 磁場シミュレーションおよび大きな双極モーメントを持つ岩石試料を用いて、モノポールのシグナルに類似したバックグラウンド信号を調査した。
• 再現性を確保し、オフセットジャンプを検出するために、48 箇所以上で複数回測定を行った。
• 特定の試料において、交番磁場を用いた磁化除去処理を施し、バックグラウンド磁化を低減した。
• 試料測定の間隔に空のホルダー測定を実施し、バックグラウンド差し引きを実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SQUID を用いた磁気計を用いた場合、LHC 加速器材料で検出可能な最小磁気電荷は何か？
• RQ2 試料材料内の大きな磁気双極子モーメントがモノポールのシグナルに類似するが、それらを区別できるか？
• RQ3 ディラック電荷未満から超過する範囲の磁気電荷を持つモノポールに対して、磁気計は予想される応答を示すか？
• RQ4 実際の加速器試料において、ディラック電荷の 1/3 を超える磁気電荷を持つモノポールを検出できるか？
• RQ5 加速器材料を安全に回収・分析し、モノポール探索に適したプロトコルは何か？

主な発見

• テストされたビームパイプ試料において、ディラック電荷のおよそ 1/3 を超える磁気電荷を持つ磁気モノポールの証拠は得られなかった。
• 試料に誘導されたピーク電流は、ディラックモノポールが誘導する電流の 0 から 0.35 倍の範囲にとどまり、顕著なモノポール信号は確認されなかった。
• 約 0.15g_D のオフセットジャンプが観測され、これは残留磁化に起因すると考えられ、磁化除去処理により低減された。
• 4.14g_D の電荷を持つ擬似モノポールを用いたキャリブレーションにより、同種の信号が検出可能であることが確認された。
• 閉じ込められたモノポールが誘導する持続的電流のシグナルが、明確に特徴づけられ、再現可能であり、理論的パターンと一致した。
• 磁気双極子によるバックグラウンド信号が同定および定量され、慎重な試料選別と磁化除去処理の必要性が示された。