[論文レビュー] Search for Highly-Ionizing Particles in pp Collisions During LHC Run-2 Using the Full MoEDAL Detector

MoEDAL Collaboration|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、LHCのRun-2期における完全なMoEDAL検出器を用いた最初の探索を提示し、Drell-Yanおよび光子融合生成メカニズムを通じて、磁気モノポール（MM）や高電荷物体（HECO）を含む高イオン化粒子を調査した。本研究では、磁気モノポールの磁気電荷について世界で最も厳しい制限を設定した（最大10Dirac電荷まで）、またHECOの電気的電荷についても5eから350eの範囲で制限を設定した。95%信頼水準において、MMの質量限界は3.4 TeV、HECOの質量限界は2.2 TeVに達した。

ABSTRACT

This search for Magnetic Monopoles (MMs) and High Electric Charge Objects (HECOs) with spins 0, 1/2 and 1, uses for the first time the full MoEDAL detector, exposed to 6.6 fb^-1 proton-proton collisions at 13 TeV. The results are interpreted in terms of Drell-Yan and photon-fusion pair production. Mass limits on direct production of MMs of up to 10 Dirac magnetic charges and HECOs with electric charge in the range 5e to 350e were achieved. The charge limits placed on MM and HECO production are currently the strongest in the world. MoEDAL is the only LHC experiment capable of being directly calibrated for highly-ionizing particles using heavy ions and with a detector system dedicated to definitively measuring magnetic charge.

研究の動機と目的

• 13 TeVの陽子-陽子衝突において、高イオン化粒子（HIs）、特に磁気モノポール（MMs）および高電荷物体（HECOs）を探索すること。
• 完全なMoEDAL検出器システムを用いて、これらの粒子の磁気的および電気的電荷に対する最も厳しい実験的限界を設定すること。
• LHCにおけるDrell-Yanおよび光子融合生成メカニズムを通じたMMおよびHECOの直接生成に対する感度を向上させること。
• 重イオンを用いた直接キャリブレーションと明確な磁気電荷測定という、MoEDAL独自の能力を活用し、高イオン化粒子の明確な検出を可能にすること。

提案手法

• 高イオン化粒子のイオン化トレースを捉えるために、核トラック検出器および化学エッチングを含む完全なMoEDAL検出器を用いた。
• LHC Run-2の、√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突データを用い、統合された全流量6.6 fb⁻¹に相当する。
• スピン0、1/2、1のMMおよびHECOのDrell-Yan（DY）および光子融合（PF）生成のシグネチャをイベント解析した。
• 重イオンビームを用いた専用のキャリブレーション手順を適用し、高イオン化粒子のエネルギー損失（dE/dx）を直接測定した。
• 測定されたイオン化密度を用いて、磁気電荷（Dirac単位）および電気的電荷（e単位）を推定し、直接的な電荷測定を可能にした。
• 95%信頼水準（CL）における生成断面積の上限および粒子質量の下限を設定するために、統計的解析を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおけるDrell-Yanおよび光子融合生成によって生成される安定または長寿命の磁気モノポールの磁気電荷について、世界で最も強い実験的限界は何か？
• RQ2 電荷が5eから350eの範囲にある磁気モノポールおよび高電荷物体（HECO）について、95%信頼水準における質量下限は何か？
• RQ3 Drell-Yanと光子融合の異なる生成メカニズムおよびスピン状態の違いにおいて、MMおよびHECOの生成断面積に対する限界はどのように異なるか？
• RQ4 MoEDALの直接キャリブレーションおよび明確な磁気電荷測定という独自の能力は、他のLHC実験と比較して、感度をどの程度向上させるか？
• RQ5 これらの結果は、大いなる電気的または磁気的電荷を持つ高イオン化粒子を予言する、標準模型を超える理論モデルにどのような意味を持つのか？

主な発見

• MoEDALは、磁気モノポール（MM）の磁気電荷について、世界で最も厳しい限界を達成し、最大10Dirac磁気電荷（10g_D）まで制限を設定した。
• Drell-Yan生成において、95%信頼水準における磁気モノポールの質量限界は、10g_Dまでの電荷に対して約2.5 TeVに達した。
• 光子融合生成において、95%信頼水準における磁気モノポールの質量限界は約3.4 TeVに達し、最大9g_Dまでの電荷感度を有した。
• 高電荷物体（HECO）に関しては、Drell-Yan生成によるスピン0、1/2、1の粒子について、電荷が10eから350eの範囲で95%信頼水準における質量限界が最大2.2 TeVに達した。
• 光子融合生成によるHECOでは、電荷が5eから350eの範囲で95%信頼水準における質量限界が最大3.4 TeVに達し、スピン-½、0、1の状態を考慮した。
• 本研究では、MMおよびHECOの生成断面積について、Drell-Yanプロセスで1 fbまで、光子融合プロセスで1 fbから4 pbまでの感度を有する、これまでで最も厳しい限界を確立した。