[论文解读] Magnetic monopoles at the LHC and in the Cosmos

P. Mermod|arXiv (Cornell University)|May 16, 2013

Superconducting Materials and Applications被引用 6

一句话总结

本文在大型强子对撞机（LHC）和宇宙物质中对磁单极子进行了全面搜索，结合了ATLAS触发系统、MoEDAL的核径迹探测器与感应探测器，以及新型极地火山岩样品。研究设定了地球体相物质中每克1.6×10⁻⁵个磁单极子的新上限，优于以往的陨石搜寻结果，并探测了太阳系原始物质中的恒星磁单极子。

ABSTRACT

The magnetic monopole was postulated in 1931 by Dirac to explain electric charge quantisation. Searches for pair-produced monopoles are performed at accelerator facilities whenever a new energy regime is made available. In addition, monopoles with masses too high to be accessible at colliders would still have been produced in the early Universe and such relics can be searched for either in flight or trapped in matter. Here we discuss recent results and future prospects for direct monopole detection at the LHC and in bulk matter searches, with emphasis on the complementarity between the various techniques. Significant improvements of the results from the ATLAS experiment are expected with the development of new triggers. Dedicated LHC experiments will allow to probe wider ranges of monopole charges and masses: the MoEDAL experiment using both nuclear-track detectors and absorbing arrays, and searches for trapped monopoles in accelerator material. Finally, it is highlighted how the first search for monopoles trapped in polar volcanic rocks allows to set new constraints on the abundance of monopoles bound to matter in the Earth's interior and by extension in the primary material that formed the Solar System.

研究动机与目标

• 利用多种互补探测技术，在大型强子对撞机（LHC）的高能质子-质子碰撞中搜索磁单极子。
• 约束被俘获在宇宙物质中的遗迹磁单极子通量与丰度，特别是未分异的太阳系物质中的恒星磁单极子。
• 通过在LHC开发新型触发系统与探测装置，提高对高磁荷与高质量磁单极子的探测灵敏度。
• 检验早期宇宙中产生的磁单极子可能沿地磁轴在地幔中累积，并可在极地火山岩中被探测到的假设。
• 通过ATLAS、MoEDAL和体相物质磁测量等多种实验方法，提供对磁单极子探测的独立交叉验证。

提出的方法

• 利用LHC上的ATLAS探测器，采用新开发的二级触发系统，专为高度电离粒子优化，将可探测的最小磁单极子动能降低至300 GeV。
• 采用MoEDAL实验的核径迹探测器和吸收阵列，分别通过电离径迹和磁感应探测磁单极子。
• 部署磁单极子捕集器（MMT），即带有超导磁强计的铝吸收阵列，通过磁通变化探测停止的磁单极子。
• 利用高灵敏度超导量子干涉器件（SQUID）磁强计分析23.4公斤极地火山岩样品，以搜寻被俘获的磁单极子。
• 比较陨石与火山岩的磁单极子通量上限，考虑地球内部磁聚焦与引力聚焦导致的浓度差异。
• 应用磁单极子在熔融地球中迁移的理论模型，预测其聚集区域并估算地幔来源岩石中的有效磁单极子浓度。

实验结果

研究问题

• RQ1 对于质量超过4000 GeV且磁荷超过狄拉克单位的磁单极子，LHC的探测灵敏度如何？
• RQ2 ATLAS触发系统能否优化以探测动能低于500 GeV的磁单极子，从而提高对长寿命重粒子的接受度？
• RQ3 MMT子探测器在探测停止磁单极子方面的有效性如何？其在14 TeV质子-质子碰撞中的预期灵敏度是多少？
• RQ4 利用极地火山岩样品，可对地球地幔中恒星磁单极子的丰度施加何种约束？
• RQ5 考虑到样品来源与浓度的差异，火山岩推导出的磁单极子上限与陨石结果相比如何？

主要发现

• 新开发的ATLAS二级触发系统将可探测的最小磁单极子能量降低至300 GeV，显著提升了对长寿命重粒子的探测灵敏度。
• MMT子探测器（2012年部署，含198根铝棒）首次实现了在LHC上探测磁荷高达狄拉克电荷四倍的磁单极子。
• 完整的MMT阵列（计划于2014年部署）将为任何磁单极子发现提供稳健的独立交叉验证，并可直接测量磁单极子的磁性质。
• 利用23.4公斤火山岩样品的极地岩石探测，设定了地球体相物质中每克1.6×10⁻⁵个磁单极子的新上限，略优于陨石的2.1×10⁻⁵每克的上限。
• 该改进的上限源于更高的有效磁单极子浓度（估计约高出6倍），这是由于地幔中磁聚焦效应所致，可补偿样品质量较小的劣势。
• 本研究证明，极地火山岩是探测恒星磁单极子的可行且互补的探针，为太阳系原始磁单极子丰度提供了独特的观测窗口。