[论文解读] 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 3

一句话总结

该论文提出，质量低于 1 TeV 的磁单极子可通过其在 γγ 通道中湮灭为两个高能光子（γγ）的方式在大型强子对撞机（LHC）上被探测到。通过有效场论方法处理强单极子耦合，作者建立了通过光子融合产生单极子-反单极子对的模型，并表明由此产生的 γγ 截面的软上升——与共振峰不同——在当前 LHC 能量下，仅需不到 1 fb⁻¹ 的积分亮度即可被观测到。

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.

研究动机与目标

• 研究在 LHC 上通过 γγ 最终态探测磁单极子的可行性。
• 通过采用有效场论方法，解决单极子相互作用中强耦合的挑战。
• 通过光子融合建模单极子-反单极子对的产生及其后续湮灭为光子的过程。
• 评估在当前 LHC 运行条件下，质量低于 1 TeV 的单极子是否可被探测。
• 将单极子信号与背景及标准模型过程（如 Higgs 粒子衰变为 γγ）区分开来。

提出的方法

• 在单圈阶使用有效场论，采用有效耦合 $ g_{\text{eff}} \sim \frac{\varepsilon}{m} g $，其中 $ \varepsilon \sim \sqrt{E^2 - 4m^2} $，以处理非微扰的单极子动力学。
• 应用 QED 与对偶 QED 之间的对偶性，将单极子视为具有有效电荷 $ \beta g $ 的粒子，从而可使用标准 QED 类似图。
• 通过类比 QED 中的光光散射，使用盒图建模单极子-反单极子通过光子融合的产生过程。
• 通过考虑部分子子过程 $ \gamma\gamma \to \gamma\gamma $，将基本 γγ 散射振幅纳入质子-质子碰撞中，包含单极子圈图贡献。
• 使用与速度相关的阈值因子 $ \beta = \sqrt{1 - 4m^2/E^2} $ 修改截面，反映相对论性运动学。
• 将单极子信号与 Higgs 粒子衰变为 γγ 进行比较，利用实验数据的背景外推来估计可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 质量低于 1 TeV 的磁单极子是否可在 LHC 的 γγ 最终态中被探测到？
• RQ2 单极子相互作用中的强耦合如何影响其产生与湮灭截面？
• RQ3 单极子-反单极子湮灭为 γγ 的 γγ 截面形状与大小如何？与共振信号有何不同？
• RQ4 在 LHC 能量下，单极子信号能否与 Higgs 粒子衰变为 γγ 及其他背景清晰区分？
• RQ5 在当前 LHC 能力下，何种亮度与能量条件足以观测到单极子信号？

主要发现

• 质量高达 1 TeV 的单极子有望在 LHC 的 γγ 通道中被探测到，且所需积分亮度不足 1 fb⁻¹。
• 单极子-反单极子湮灭为 γγ 的微分截面在宽广的能量范围内呈现软上升，缺乏共振结构，与 Higgs 类信号明显不同。
• 对于 750 GeV 的单极子，截面可达约 10 fb/GeV，即使将 Higgs 信号缩小 50 倍进行比较，该信号仍清晰可见。
• 随着单极子质量增加，截面幅度减小：500 GeV 时约为 ~1 pb/GeV，750 GeV 时约为 ~10 fb/GeV，1000 GeV 时约为 ~1 fb/GeV。
• 来自实验数据的背景估计显示，对于质量高达 1 TeV 的单极子，背景水平可忽略，支持单极子信号的可观测性。
• 由于缺乏共振峰且信号具有扩展的能量依赖性，可与标准模型过程（如 Higgs 衰变为 γγ）实现清晰区分。