[论文解读] Electroweak Monopole Production at the LHC - a Snowmass White Paper

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

Superconducting Materials and Applications参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文主张，由于标准模型中 SU(2)×U(1)Y 规范群的非平凡拓扑结构，电弱（Cho-Maison）磁单极子应以 (1/αem)² 倍于 W⁺W⁻ 对产生截面的速率在大型强子对撞机（LHC）上产生。本文提倡使用 MoEDAL 实验作为此类高度电离单极子的最佳探测器，其可通过核径迹探测器记录的电离径迹以及超导量子干涉器件（SQUIDs）中捕获的磁荷来探测单极子，甚至单个事例即可实现发现。

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.

研究动机与目标

• 在标准模型框架内确立电弱单极子（Cho-Maison 单极子）的理论存在性。
• 论证单极子的磁荷为狄拉克单极子的两倍，原因在于 U(1)em 子群的周期为 4π。
• 证明在 LHC 上，单极子的产生截面显著增强——比 W⁺W⁻ 对产生截面大 (1/αem)² 倍，使其可被探测到。
• 倡导 MoEDAL 实验作为探测高度电离单极子的最优选择，因其对慢速、高度电离粒子具有独特灵敏度。
• 表明 MoEDAL 可通过核径迹探测器和 SQUID 基的捕获探测器探测单极子，实现磁荷的直接测量，并可通过单个事例实现发现。

提出的方法

• 本文采用具有 Higgs 双生子和规范场球对称假设的温伯格-萨拉姆模型，推导出单极子解。
• 通过 Cho 分解实现阿贝利安化，将拉格朗日量表示为物理场形式，包括电磁场强 Fμν(em)。
• 从拉格朗日量导出运动方程，表明单极子解存在，其对应的第二同伦群 π₂(SU(2)×U(1)Y/U(1)em) ≅ ℤ 为非平凡。
• 计算得出单极子的磁荷为 4π/e，是狄拉克磁荷的两倍，原因在于 U(1)em 的 4π 周期性。
• 提出 MoEDAL 探测器为主要探测方法，利用塑料核径迹探测器（NTDs）记录高度电离单极子的电离径迹。
• 使用铝制捕获探测器捕获单极子，通过周期性更换并利用 SQUID 磁力计分析后测量磁荷。

实验结果

研究问题

• RQ1 标准模型是否由于真空流形的非平凡第二同伦群，而预测存在拓扑磁单极子？
• RQ2 电弱单极子的磁荷是多少？与狄拉克单极子有何不同？
• RQ3 在 LHC 上，电弱单极子的预期产生截面是多少？与标准模型过程（如 W⁺W⁻ 对产生）相比如何？
• RQ4 尽管单极子具有高电离性且可能在标准 LHC 探测器中迅速被吸收，MoEDAL 实验是否仍能探测到它？
• RQ5 MoEDAL 是否能通过捕获与 SQUID 探测直接测量单极子的磁荷，并通过此确认其拓扑性质？

主要发现

• 电弱单极子是标准模型中的拓扑孤子，源于非平凡的第二同伦群 π₂(SU(2)×U(1)Y/U(1)em) ≅ ℤ。
• 由于电磁 U(1) 子群的 4π 周期性，单极子携带 4π/e 的磁荷，为狄拉克磁荷的两倍。
• 在 LHC 上，电弱单极子的产生截面估计为 W⁺W⁻ 对产生截面的 (1/αem)² 倍，显著增强。
• 单极子的电离能力约为最小电离粒子（MIP）的 9400 倍，使其即使在低通量下也能通过核径迹探测器探测到。
• MoEDAL 可在单个事例中通过其 NTD 阵列或捕获探测器探测到单极子，磁荷分辨率可达基本电荷的 1/100。
• MoEDAL 实验是唯一能通过 SQUID 磁力计直接测量磁荷的对撞机探测器，具有开创性意义。