[논문 리뷰] Search in 8 TeV proton-proton collisions with the MoEDAL monopole-trapping test array

K. Bendtz, A. Katre외 5명|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 21인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 2012년 CERN의 LHC에서 8 TeV 프로톤-프로톤 충돌에서 자성 단극자를 탐색하기 위해 설치된 MoEDAL 자성 단극자 트래퍼(MMT) 테스트 어레이의 첫 번째 결과를 제시한다. 알루미늄 막대에 갇힌 단극자가 유도하는 영구 전류를 초도성 DC-SQUID 자기계측기로 측정함으로써, 디랙 전하의 0.4배 이상인 자성 전하를 가진 단극자는 발견되지 않았으며, 이는 1–4 디랙 전하 범위와 3.5 TeV 이하 질량의 단극자에 대해 새로운 배제 한계를 설정한다.

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.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 8 TeV 프로톤-프로톤 충돌에서 생성된 자성 단극자를 수동적 갇힘 기법을 사용하여 탐색하기 위해.
• 알루미늄 흡수체와 초도성 자기계측기를 사용한 단극자 갇힘 및 탐지의 가능성을 시험하기 위해.
• 일般的한 목적의 검출기로는 접근할 수 없는 자성 전하와 질량 범위를 탐색하기 위해.
• 전자기 유도를 통한 직접적인 자성 전하 측정을 배경이 없는 방법으로 구현하기 위해.
• LHC에서 다수의 디랙 전하를 가진 단극자에 대한 첫 번째 실험적 제약 조건을 제공하기 위해.

제안 방법

• 11개의 알루미늄 상자로 구성된 테스트 어레이를 LHCb 충돌점 근처에 설치하여 프로톤-프로톤 충돌에서 유도된 자성 단극자를 갇혔다.
• 어레이에 0.75 fb⁻¹의 8 TeV 프로톤-프로톤 충돌이 노출되었고, 이후 분석을 위해 회수되었다.
• 각 알루미늄 막대는 20 cm(또는 상자 11의 경우 혼합 길이)로 잘라졌으며, ETH 취리히에서 DC-SQUID 락 자기계측기를 사용해 스캔되었다.
• 간직된 단극자가 유도한 영구 전류는 디폴 전준 및 얇은 solenoid를 사용해 캘리브레이션되었으며, 결과는 디랙 자성 전하 단위로 표현되었다.
• 각 샘플에 대해 다수의 측정을 반복하여 기기 불안정성으로 인한 가짜 점프 신호와 진짜 신호를 구별하였다.
• 데이터 분석에는 오프셋 보정 및 해상도 모니터링이 포함되어 신뢰성 확보 및 오진 탐지 최소화를 위해 수행되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서 수동적 갇힘 및 유도 기법을 사용해 다수의 디랙 전하를 가진 자성 단극자를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 MoEDAL MMT 테스트 어레이는 디랙 단위를 초월하고 질량이 3.5 TeV 이하인 단극자에 대해 어느 정도 민감한가?
• RQ3 초도성 자기계측기는 갇힌 단극자로부터 유도된 영구 전류를 높은 정밀도와 낮은 배경으로 탐지할 수 있는가?
• RQ4 기기 불안정성은 측정 신뢰성에 어떤 영향을 미치며, 향후 배치에선 이를 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ5 실제 물질 및 운동역학적 가정을 고려할 때, 프로톤-프로톤 충돌에서 생성된 단극자의 몇 퍼센트가 알루미늄 어레인지먼트에 정지하고 갇힐 수 있는가?

주요 결과

• 2012년 MMT 테스트 어레인지먼트의 606개의 알루미늄 샘플에서 어떤 자성 단극자도 탐지되지 않았다.
• 실험은 어레인지먼트 내에서 디랙 전하의 0.4배를 초월하는 자성 전하를 가진 단극자의 존재를 배제하였다.
• 자기계측기의 해상도는 0.4gD를 초월하는 단극자를 고도로 신뢰할 수 있게 배제할 수 있었다.
• 가짜 신호 점프가 관측되었지만, 갇힌 플럭스, 샘플 이동, 환경적 요란함 등의 기기 불안정성 원인으로 추적되었다.
• Drell-Yan 생성 모델을 가정할 경우 어레인지먼트가 질량이 3.5 TeV 이하이고 전하가 n=1에서 n=4 사이인 단극자의 0.5% 이상을 갇혔다고 추정된다.
• 결과는 전자기 유도를 통한 배경이 없는 직접적인 자성 전하 측정의 가능성과 실현 가능성을 입증하였으며, 향후 전체 규모의 MoEDAL MMT 배치를 위한 길을 열었다.