[論文レビュー] Looking for magnetic monopoles at LHC

L.N. Epele, H. Fanchiotti+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、1 TeV未満の質量を有する磁気モノポールが、Large Hadron Collider (LHC) で二つの高エネルギー光子（γγ）への消失反応を通じて検出可能であると提唱している。強いモノポール結合を扱うために有効場理論を用い、光子融合によるモノポール-反モノポール対生成をモデル化した。その結果、共鳴ピークとは異なり、エネルギーにわたる滑らかなγγ断面積の上昇が生じ、現在のLHCエネルギーで1 fb⁻¹未塔の統合光度でも観測可能であることが示された。

ABSTRACT

Magnetic monopoles have been a subject of interest since Dirac established the relation between the existence of monopoles and charge quantization. The intense experimental search carried thus far has not met with success. We study the observability of monopoles at the Large Hadron collider in the photon-photon channel and show that LHC is an ideal machine to discover monopoles with masses below 1 TeV at present running energies and with less than 1 fb^{-1} of integrated luminosity.

研究の動機と目的

• LHCにおけるγγ最終状態を用いた磁気モノポール検出の可能性を調査すること。
• モノポール相互作用における強い結合の課題に、有効場理論のアプローチを用いて対処すること。
• 光子融合によるモノポール-反モノポール対生成およびその後の光子への消失をモデル化すること。
• 現在のLHC走行条件において、1 TeV未塔の質量を有するモノポールの検出可能性を評価すること。
• ヒッグス粒子のγγへの崩壊などの標準模型過程やバックグラウンドからモノポール信号を区別すること。

提案手法

• 非摂動的モノポール力学を扱うために、1ループの有効場理論を用い、有効結合 $ g_{\text{eff}} \sim \frac{\varepsilon}{m} g $ を導入する。ここで $ \varepsilon \sim \sqrt{E^2 - 4m^2} $ である。
• QEDと双対QEDの双対性を適用し、モノポールを有効電荷 $ \beta g $ を持つ粒子として扱い、標準的なQEDに類似した図式を用いる。
• 光子融合によるモノポール-反モノポール生成を、QEDにおける光子間散乱に類似したボックス図を用いてモデル化する。
• 部分的過程 $ \gamma\gamma \to \gamma\gamma $ を考慮し、モノポールのループ寄与を含めた、プロトン-プロトン衝突における基本的なγγ散乱断面積を統合する。
• 相対論的運動論を反映するため、速度依存の閾値因子 $ \beta = \sqrt{1 - 4m^2/E^2} $ を用いて断面積を修正する。
• 実験データからのバックグラウンド外挿を用い、ヒッグス粒子のγγへの崩壊と比較して検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1 TeV未満の質量を有する磁気モノポールは、LHCでγγ最終状態において検出可能か？
• RQ2 モノポール相互作用における強い結合が、生成および消失断面積に与える影響は何か？
• RQ3 モノポール-反モノポール消失におけるγγ断面積の形状と大きさは何か？また、共鳴的信号とはどのように異なるか？
• RQ4 LHCエネルギーにおいて、ヒッグス粒子のγγへの崩壊や他のバックグラウンドからモノポール信号をどのように区別できるか？
• RQ5 現在のLHC能力で、モノポール信号を観測するために十分な光度およびエネルギー条件は何か？

主な発見

• 1 TeV未満の質量を有するモノポールは、LHCにおけるγγチャンネルで1 fb⁻¹未塔の統合光度で検出可能と予想される。
• モノポール-反モノポールのγγへの消失断面積は、広いエネルギー範囲にわたり滑らかに上昇するが、共鳴構造を示さない。これはヒッグス粒子に類似した信号とは明確に異なる。
• 750 GeVのモノポールに対しては、断面積が約10 fb/GeVに達し、比較のためヒッグス信号を50倍小さくした後でも、依然として観測可能である。
• モノポール質量が増加するにつれて断面積の大きさは減少する：500 GeVでは約1 pb/GeV、750 GeVでは約10 fb/GeV、1000 GeVでは約1 fb/GeVとなる。
• 実験データからのバックグラウンド推定では、1 TeV未満のモノポール質量においては極めて低い水準であり、モノポール信号の可視性を支持する。
• 共鳴ピークが存在せず、信号のエネルギー依存性が広がっていることから、ヒッグス崩壊のγγへの過程などの標準模型過程と明確に区別可能である。