[논문 리뷰] First experimental search for production of magnetic monopoles via the Schwinger mechanism

B. S. Acharya, Jean Alexandre외 65명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 22.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 24인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서의 Pb-Pb 충돌을 통해 강한 자기장에서 발생하는 슈윙거 메커니즘을 통해 생성된 자기장 입자(모노폴)의 첫 번째 실험적 탐색을 제시한다. MoEDAL 실험을 통해 Dirac 전하 1≤g≤3gD이면서 질량이 75 GeV/c² 이하인 모노폴은 배제되었으며, 유한한 크기의 모노폴에 대한 첫 번째 충돌기반 질량 하한선을 설정하고 이전의 제한을 크게 확장하였다.

ABSTRACT

Schwinger showed that electrically-charged particles can be produced in a strong electric field by quantum tunnelling through the Coulomb barrier. By electromagnetic duality, if magnetic monopoles (MMs) exist, they would be produced by the same mechanism in a sufficiently strong magnetic field. Unique advantages of the Schwinger mechanism are that its rate can be calculated using semiclassical techniques without relying on perturbation theory, and the finite MM size and strong MM-photon coupling are expected to enhance their production. Pb-Pb heavy-ion collisions at the LHC produce the strongest known magnetic fields in the current Universe, and this article presents the first search for MM production by the Schwinger mechanism. It was conducted by the MoEDAL experiment during the 5.02 TeV/nucleon heavy-ion run at the LHC in November 2018, during which the MoEDAL trapping detectors (MMTs) were exposed to 0.235 nb$^{-1}$ of Pb-Pb collisions. The MMTs were scanned for the presence of magnetic charge using a SQUID magnetometer. MMs with Dirac charges 1$g_D$ $\leq$ $g$ $\leq$ 3$g_D$ and masses up to 75 GeV/c$^2$ were excluded by the analysis. This provides the first lower mass limit for finite-size MMs from a collider search and significantly extends previous mass bounds.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 Pb-Pb 고에너지 이온 충돌 중 생성된 강한 자기장에서 슈윙거 메커니즘을 통해 생성된 자기장 입자를 탐색하기 위해.
• 자기장 입자가 존재한다면, 강한 자기장에서 전기 입자 생성과 유사하게 양자 터널링을 통해 생성될 것이라는 이론적 예측을 테스트하기 위해.
• 비순환적 슈윙거 메커니즘 계산을 활용하여, 유한한 크기의 자기장 입자에 대한 첫 번째 충돌기반 질량 배제 한계를 설정하기 위해.
• 기본 입자 충돌에서 모노폴 생성에 대한 순환적 단면적 추정치의 한계를 극복하기 위해 슈윙거 메커니즘의 비순환적 성격을 활용하기 위해.
• MoEDAL의 포획 감지기(MMT)와 SQUID 자기계측기를 사용하여 자기 전하를 탐지함으로써, Dirac 전하가 5gD에 이르는 모노폴에 대한 감도를 확보하기 위해.

제안 방법

• 5.02 TeV/핵자에서의 Pb-Pb 충돌 중 생성된 자기장 입자를 포획하기 위해 소프트 자기 재료로 구성된 MoEDAL 실험의 포획 감지기(MMT)를 사용하였다.
• 지속적인 자기류가 존재할 경우 자기 전하 존재를 나타내므로, MMT를 SQUID 자기계측기로 스캔하여 검출하였다.
• 유한한 크기의 모노폴을 고려한 비순환적 양자역학적 기법을 적용하여 슈윙거 메커니즘을 기반으로 기대되는 모노폴 생성률을 계산하였다.
• Dirac 전하 1gD에서 5gD, 질량 50에서 85 GeV/c² 사이의 모노폴에 대해 Fokker-Planck 근사(FPA)를 모델링하였다.
• 포획률 추정 시 감지기 효율성, 재료 비용 및 체계적 불확실성을 고려하였으며, 실험적 및 이론적 입력에 기반한 오차 전파를 적용하였다.
• MMT 샘플에 대해 반복적인 SQUID 스캔을 수행하고, 임의의 자기류 급증을 식별하며 거짓 음성 확률를 추정하기 위해 통계 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서 Pb-Pb 충돌 중 생성된 강한 자기장에서 슈윙거 메커니즘을 통해 자기장 입자가 생성될 수 있는가?
• RQ2 슈윙거 메커니즘을 활용하여, Dirac 전하 1gD ≤ g ≤ 5gD인 유한한 크기의 자기장 입자에 대해 MoEDAL 실험의 감도는 어떠한가?
• RQ3 0.235 nb⁻¹의 Pb-Pb 충돌에 노출된 후 MMT에서 자기 전하 신호가 관측되지 않았을 경우, 어떤 질량 한계를 설정할 수 있는가?
• RQ4 재료 비용 및 감지기 효율성의 체계적 불확실성은 모노폴 생성에 대한 배제 한계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 슈윙거 메커니즘은 복합 자기장 입자를 충돌기에서 탐지하기 위한 Drell-Yan 또는 광자-광자 생성과 대체 가능한 비순환적 대안이 될 수 있는가?

주요 결과

• MoEDAL 실험은 Dirac 전하 1gD ≤ g ≤ 3gD 이며 질량이 75 GeV/c² 이하인 모노폴에 대해 99.75% 이상의 신뢰수준에서 배제하였다.
• 분석을 통해 유한한 크기의 자기장 입자에 대한 첫 번째 충돌기반 질량 하한선을 설정하였으며, 이는 이전의 순환적 생성 모델 기반 제한보다 크게 확장된 결과였다.
• 1gD 전하를 가진 모노폴의 경우, 질량이 50에서 100 GeV/c² 사이일 때 MMT에서 기대되는 포획률은 모델에 따라 매분 1.97×10²에서 1.50×10³ 사이로 변동하였다.
• |g| ≥ 0.5gD인 모노폴을 탐지할 수 있는 거짓 음성 확률는 0.2% 미만으로 추정되어 SQUID 스캔 시스템의 높은 감도를 확인하였다.
• 재료 비용의 체계적 불확실성이 오차 예산에서 지배적이었으며, 95% 신뢰수준 배제 영역은 확장된 데이터 그림 4의 파랑색으로 표시되었다.
• 129개의 MMT 샘플 전반에서 자기 전하 신호는 관측되지 않았으며, 임의의 이질적 결과는 펌프리드 자기 불순물이나 환경 노이즈로 인한 임의의 자기류 급증으로 기인되었다.