[논문 리뷰] Electroweak Monopole Production at the LHC - a Snowmass White Paper

Y. M. Cho, J. L. Pinfold|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 31.

Superconducting Materials and Applications참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 표준모형에서 SU(2)×U(1)Y 게이지군의 비자명한 위상구조로 인해 예측되는 전자약력(Cho-Maison) 자석극자가 LHC에서 W⁺W⁻ 쌍 생성에 비해 (1/αem)² 배 높은 단면적을 가진 채로 생성되어야 한다고 주장한다. 이는 매우 높은 이온화도를 지닌 자석극자를 탐지하기 위해 MoEDAL 실험을 최적의 탐지기로 제안하며, 핵트랙 감지기에서의 이온화 흔적과 초도전도 양자 간섭 장치(SQUIDs)에 갇힌 자석 전하를 통해 탐지가 가능하며, 단 한 건의 사건으로도 발견이 가능하다고 한다.

ABSTRACT

We maintain that the search for the electroweak monopole is a key issue in the advancement of our understanding of the standard model. Unlike the Dirac monopole in electrodynamics, which is optional, the electroweak monopole should exist within the framework of the standard model. The mass of the electroweak monopole is estimated to be 5 to 7 TeV, but could be as large as 15 TeV. Above threshold its production rate at the LHC is expected to be relatively large, (1/alpha(em)2) times bigger than that of W+W- pairs. The search for the electroweak monopole is one of the prime motivations of the newest LHC experiment, MoEDAL, which is due to start data taking in 2015.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 프레임워크 내에서 전자약력 자석극자(Cho-Maison 자석극자)의 이론적 존재를 확립하기 위해.
• U(1)em 부분군의 주기 4π로 인해 자석극자의 자석 전하가 디랙 자석극자보다 두 배임을 주장하기 위해.
• LHC에서의 자석극자 생성 단면적이 W⁺W⁻ 쌍 생성에 비해 상당히 증폭되어 탐지 가능하다는 것을 보여주기 위해.
• 매우 높은 이온화도를 지닌 입자에 대해 고유한 민감도를 지닌 MoEDAL 실험을 높은 이온화 입자에 최적의 탐지기로 주장하기 위해.
• MoEDAL이 핵트랙 감지기와 SQUID 기반의 갇힘 탐지기로 자석극자를 탐지할 수 있으며, 자석 전하를 직접 측정하고 단 한 건의 사건으로도 발견이 가능하다는 것을 보여주기 위해.

제안 방법

• 논문은 힉스 두중항과 게이지 장에 대해 구형 대칭 해를 가정한 Weinberg-Salam 모형을 사용하여 자석극자 해를 유도한다.
• Cho 분해를 통한 아벨화를 적용하여 라그랑지안을 물리적 장(예: 전자기장 강도 Fμν(em))으로 표현한다.
• 라그랑지안에서 운동 방정식을 유도하며, 자석극자 해가 존재함을 보이며, 비자명한 두 번째 호모토피 군 π₂(SU(2)×U(1)Y/U(1)em) ≅ ℤ 를 가짐을 보여준다.
• U(1)em의 4π 주기성으로 인해 자석극자의 자석 전하가 4π/e로 계산되며, 이는 디랙 전하의 두 배이다.
• MoEDAL 탐지기 체계는 플라스틱 핵트랙 감지기(NTDs)를 사용하여 매우 높은 이온화도를 지닌 자석극자가 남기는 이온화 흔적을 기록한다.
• 알루미늄으로 제작된 갇힘 탐지기로 자석극자를 포획하며, 주기적으로 교체하고 분석한 후 SQUID 자기측정법으로 자석 전하를 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준모형은 진공 다각형의 비자명한 두 번째 호모토피 군으로 인해 위상적 자석극자를 예측하는가?
• RQ2 전자약력 자석극자의 자석 전하는 얼마이며, 디랙 자석극자와 어떻게 다를까?
• RQ3 LHC에서 전자약력 자석극자의 기대 생성 단면적은 얼마이며, W⁺W⁻ 쌍 생성과 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ4 표준 LHC 탐지기에서 매우 빠르게 흡수될 수 있는 고이온화도를 지닌 자석극자에 대해 MoEDAL 실험은 탐지가 가능한가?
• RQ5 MoEDAL은 갇힘과 SQUID 탐지 방식을 통해 자석극자의 자석 전하를 직접 측정하고, 그 위상적 성질을 확인할 수 있는가?

주요 결과

• 전자약력 자석극자는 표준모형 내에서 위상적 솔리톤으로 존재하며, 비자명한 두 번째 호모토피 군 π₂(SU(2)×U(1)Y/U(1)em) ≅ ℤ 로 기인한다.
• U(1)em 부분군의 4π 주기성으로 인해 자석극자는 4π/e의 자석 전하를 지니며, 이는 디랙 전하의 두 배이다.
• LHC에서의 전자약력 자석극자 생성 단면적은 W⁺W⁻ 쌍 생성에 비해 (1/αem)² 배로 증폭되어 상당히 크게 증가한다.
• 자석극자의 이온화 능력은 최소 이온화 입자(MIP)의 약 9400배에 이르며, 낮은 유량에서도 핵트랙 감지기로 탐지 가능하다.
• MoEDAL은 NTD 어레이나 갇힘 탐지기에서 단 한 건의 사건으로도 자석극자를 탐지할 수 있으며, 전하 해상도는 기본 전하의 1/100 수준까지 가능하다.
• MoEDAL 실험은 콜라이더 탐지기로서는 최초로 SQUID 자기측정법을 통해 자석 전하를 직접 측정할 수 있는 유일한 능력을 지닌다.