[论文解读] Energy Losses of Magnetic Monopoles in Aluminum, Iron and Copper

S. Cecchini, L. Patrizii+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2016

Nuclear Physics and Applications被引用 10

一句话总结

本论文使用改进的贝特-布洛赫公式和原子反冲模型，计算了在铝、铁和铜中，磁荷从1g_D到9g_D的磁单极子在不同速度区间内的能量损失和射程。主要结果表明，快速单极子的能量损失极高（在铝中n=3时最高可达~100 GeV/g·cm²），且在高磁荷和高质质量下射程显著减小；在CR39探测器中，受限能量损失（REL）在β ~ 10^{-3}时达到峰值，这是由于弹性原子反冲所致。

ABSTRACT

The Energy Losses and Ranges of magnetic monopoles with magnetic charges $1g_{D}$, $2g_{D}$, $3g_{D}$, $6g_{D}$ and $9g_{D}$ in Aluminum, Iron and in Copper are computed, in the different regimes of velocities. The Restricted Energy Losses of monopoles with magnetic charges $1g_{D}$, $2g_{D}$ and $3g_{D}$ in Nuclear Track Detector is also given.

研究动机与目标

• 计算磁荷为1g_D至9g_D的磁单极子在铝、铁和铜中的能量损失和射程。
• 在不同速度区间（快速：β > 10^{-1}，中间：10^{-4} < β < 10^{-2}，极慢：β < 10^{-5}）建模能量损失机制。
• 评估在CR39®等核径迹探测器（NTDs）中，磁荷为1g_D、2g_D和3g_D的单极子的受限能量损失（REL）。
• 为实验搜索（尤其是大型强子对撞机LHC）提供单极子在材料中射程的定量估计。

提出的方法

• 基于狄拉克关系，将贝特-布洛赫公式推广至磁荷，并推导了不同磁荷值下的QED、布洛赫和密度效应校正。
• 通过公式 −dE/dx = C·(Z/A)·g²·[ln(2m_e c² β² γ² / I) − 1/2 + k/2 − δ/2 − B_m] 计算能量损失，其中材料参数来自表格。
• 在低β下使用 μ·(4πℏgeN)/(c m_e)·0.6 建模原子反冲能量损失，其中μ为原子磁矩，N为原子密度。
• 通过积分能量损失计算射程 R = ∫(E_min 到 E_0) dE/(dE/dx)，其中 E_min 对应 β ~ 10^{-6}。
• 计算CR39®聚合物中β < 0.05时的受限能量损失（REL），仅考虑能量低于200 eV（Makrofol为350 eV）的δ射线，以及β ~ 10^{-3}以下的弹性反冲。
• 使用材料特异性数据：电子密度、费米速度、融合温度和密度效应参数，来自铝、铁和铜的表格。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同速度区间内，磁荷为1g_D至9g_D的磁单极子在铝、铁和铜中的能量损失是多少？
• RQ2 磁单极子在铝、铁和铜中的射程如何随磁荷和质量变化？
• RQ3 在低速下，磁荷为1g_D、2g_D和3g_D的单极子在CR39®核径迹探测器中的受限能量损失（REL）是多少？
• RQ4 QED、布洛赫和密度效应校正在不同材料中对磁单极子能量损失有何影响？
• RQ5 在铝、铁和铜等顺磁性材料中，β < 10^{-3}时弹性原子反冲对能量损失的贡献如何？

主要发现

• 对于快速单极子（β > 10^{-1}），在铝中能量损失最高可达~93.7 GeV/g·cm²（n=3，即3g_D），主要贡献来自电子停止和校正项。
• 在铁中，高β下能量损失约为~28.4 GeV/g·cm²（n=3），在铜中约为~14.54 GeV/g·cm²，显示出对材料Z/A和密度的强依赖性。
• 在β ~ 10^{-3}时，CR39®中的受限能量损失（REL）达到峰值，1g_D单极子约为~1.2 keV/μm，高磁荷下REL进一步增加。
• 对于质量为1 TeV、电荷为3g_D的单极子，在βγ ~ 100时，其在铝中的射程约为~1.5 cm，铁中降至~0.8 cm，铜中降至~0.6 cm。
• 在极低β（β < 10^{-5}）时，能量损失主要由与原子的弹性碰撞主导，铝中约为~0.6 keV/μm，其值与磁荷和材料密度成正比。
• 1 TeV质量、3g_D电荷的单极子在铝中射程约为~1.5 cm，铁中为~0.8 cm，铜中为~0.6 cm，表明其强烈依赖于材料特性。