[论文解读] First experimental search for production of magnetic monopoles via the Schwinger mechanism

B. S. Acharya, Jean Alexandre+65 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 24被引用 4

一句话总结

本论文首次在LHC的MoEDAL实验中，通过Pb-Pb碰撞中强磁场下的施温格机制，对磁单极子（MMs）进行了实验搜索。该研究排除了狄拉克电荷满足1≤g≤3gD、质量高达75 GeV/c²的磁单极子，设定了首个基于对撞机的有限尺寸单极子质量下限，并显著扩展了先前的约束范围。

ABSTRACT

Schwinger showed that electrically-charged particles can be produced in a strong electric field by quantum tunnelling through the Coulomb barrier. By electromagnetic duality, if magnetic monopoles (MMs) exist, they would be produced by the same mechanism in a sufficiently strong magnetic field. Unique advantages of the Schwinger mechanism are that its rate can be calculated using semiclassical techniques without relying on perturbation theory, and the finite MM size and strong MM-photon coupling are expected to enhance their production. Pb-Pb heavy-ion collisions at the LHC produce the strongest known magnetic fields in the current Universe, and this article presents the first search for MM production by the Schwinger mechanism. It was conducted by the MoEDAL experiment during the 5.02 TeV/nucleon heavy-ion run at the LHC in November 2018, during which the MoEDAL trapping detectors (MMTs) were exposed to 0.235 nb$^{-1}$ of Pb-Pb collisions. The MMTs were scanned for the presence of magnetic charge using a SQUID magnetometer. MMs with Dirac charges 1$g_D$ $\leq$ $g$ $\leq$ 3$g_D$ and masses up to 75 GeV/c$^2$ were excluded by the analysis. This provides the first lower mass limit for finite-size MMs from a collider search and significantly extends previous mass bounds.

研究动机与目标

• 在LHC的Pb-Pb重离子碰撞中，研究强磁场下通过施温格机制产生的磁单极子。
• 检验理论预测：若磁单极子存在，其将如同强电场中电荷粒子的量子隧穿产生一样，在强磁场中通过量子隧穿机制产生。
• 利用非微扰施温格机制计算，首次设定基于对撞机的有限尺寸磁单极子质量排除极限。
• 通过利用施温格机制的非微扰特性，克服在基本粒子碰撞中单极子产生截面微扰估算的局限性。
• 利用MoEDAL的捕获探测器（MMTs）和SQUID磁力计探测磁荷，实现对狄拉克电荷高达5gD的单极子的探测灵敏度。

提出的方法

• 利用MoEDAL实验的捕获探测器（MMTs）——由软磁材料制成——捕获在5.02 TeV/核子能量下Pb-Pb碰撞中产生的磁单极子。
• 采用SQUID磁力计扫描MMTs，检测持久磁通，以判断是否存在磁荷。
• 基于有限尺寸单极子的背景，利用施温格机制结合非微扰半经典技术，计算预期的单极子产生率。
• 在福克-普朗克近似（FPA）框架下，对狄拉克电荷1gD至5gD、质量50至85 GeV/c²的单极子建模产生过程。
• 在估算捕获率时，考虑探测器效率、材料预算及系统不确定性，误差传播基于实验与理论输入。
• 对MMT样品进行重复SQUID扫描，通过统计分析识别虚假磁通跃迁，并估算误判概率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC的Pb-Pb碰撞中产生的强磁场下，磁单极子是否可通过施温格机制产生？
• RQ2 MoEDAL实验对狄拉克电荷1gD ≤ g ≤ 5gD的有限尺寸磁单极子，利用施温格机制的探测灵敏度如何？
• RQ3 在经历0.235 nb⁻¹的Pb-Pb碰撞后，若MMTs中未检测到磁荷信号，可对磁单极子设定何种质量限制？
• RQ4 材料预算与探测器效率中的系统不确定性如何影响单极子产生率的排除极限？
• RQ5 施温格机制是否可作为Drell-Yan或光-光产生机制的可行非微扰替代方案，用于在对撞机中探测复合磁单极子？

主要发现

• MoEDAL实验在99.75%置信水平下，排除了狄拉克电荷满足1gD ≤ g ≤ 3gD、质量高达75 GeV/c²的磁单极子。
• 该分析设定了首个基于对撞机的有限尺寸磁单极子质量下限，显著扩展了先前基于微扰产生模型的约束范围。
• 对于电荷为1gD的单极子，MMTs中的预期捕获率在50至100 GeV/c²质量范围内，介于每分钟1.97×10²至1.50×10³之间，具体取决于模型。
• 对|g| ≥ 0.5gD的单极子，检测到误判概率（假阴性）估计低于0.2%，证实SQUID扫描系统的高灵敏度。
• 材料预算的系统不确定性主导了误差预算，95%置信水平的排除区域在扩展数据图4中以蓝色标示。
• 在129个MMT样品中均未观测到磁荷信号，任何异常值均归因于铁磁杂质或环境噪声引起的虚假磁通跃迁。