[论文解读] Search for Highly-Ionizing Particles in pp Collisions During LHC Run-2 Using the Full MoEDAL Detector

MoEDAL Collaboration|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本论文首次在LHC运行2期间使用完整的MoEDAL探测器进行搜索，通过Drell-Yan和光子融合产生机制探测高度电离粒子，如磁单极子（MMs）和高电荷物体（HECOs）。该研究设定了迄今为止最强的世界范围限制：磁单极子磁荷上限达10个狄拉克单位，高电荷物体电荷上限达5e至350e，磁单极子质量限制达3.4 TeV（95%置信水平），高电荷物体质量限制达2.2 TeV。

ABSTRACT

This search for Magnetic Monopoles (MMs) and High Electric Charge Objects (HECOs) with spins 0, 1/2 and 1, uses for the first time the full MoEDAL detector, exposed to 6.6 fb^-1 proton-proton collisions at 13 TeV. The results are interpreted in terms of Drell-Yan and photon-fusion pair production. Mass limits on direct production of MMs of up to 10 Dirac magnetic charges and HECOs with electric charge in the range 5e to 350e were achieved. The charge limits placed on MM and HECO production are currently the strongest in the world. MoEDAL is the only LHC experiment capable of being directly calibrated for highly-ionizing particles using heavy ions and with a detector system dedicated to definitively measuring magnetic charge.

研究动机与目标

• 在13 TeV质子-质子对撞中搜索高度电离粒子（HIs），包括磁单极子（MMs）和高电荷物体（HECOs）。
• 利用完整的MoEDAL探测器系统，设定此类粒子磁荷和电荷的最严格实验限制。
• 提升LHC中通过Drell-Yan和光子融合机制直接产生磁单极子和HECOs的探测灵敏度。
• 利用MoEDAL在重离子直接校准和磁荷确定测量方面的独特能力，实现对高度电离粒子的无歧义探测。

提出的方法

• 利用完整的MoEDAL探测器，包括核径迹探测器和化学蚀刻技术，捕获高度电离粒子留下的电离径迹。
• 采用LHC运行2期间√s = 13 TeV的质子-质子对撞数据，积分亮度为6.6 fb⁻¹。
• 分析Drell-Yan（DY）和光子融合（PF）产生磁单极子和HECOs（自旋为0、1/2和1）的事件信号。
• 采用专用校准程序，利用重离子束直接测量高度电离粒子的能量损失（dE/dx）。
• 利用测得的电离密度推断磁荷（以狄拉克单位表示）和电荷（以e为单位），实现直接电荷测量。
• 进行统计分析，设定生产截面的95%置信水平（CL）上限和粒子质量的下限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC中通过Drell-Yan和光子融合机制产生的稳定或长寿命磁单极子，其磁荷的最强实验限制是什么？
• RQ2 磁单极子和高电荷物体（HECOs）在电荷范围5e至350e时，95%置信水平的质量下限是多少？
• RQ3 不同产生机制（Drell-Yan与光子融合）和自旋态下，磁单极子和HECOs的生产截面限制有何差异？
• RQ4 MoEDAL在直接校准和确定性磁荷测量方面的独特能力，相比其他LHC实验在探测灵敏度方面提升了多少？
• RQ5 这些结果对预测具有大电荷或磁荷的高度电离粒子的超越标准模型理论有何启示？

主要发现

• MoEDAL设定了迄今为止最强的世界范围磁单极子（MM）磁荷限制，上限达10个狄拉克磁荷单位（10g_D）。
• 对于Drell-Yan产生机制，磁单极子在95%置信水平下的质量限制达到约2.5 TeV（磁荷上限为10g_D）。
• 对于光子融合产生机制，磁单极子在95%置信水平下的质量限制达到约3.4 TeV，对磁荷上限达9g_D具有灵敏度。
• 对于高电荷物体（HECOs），在Drell-Yan机制下，自旋为0、½和1的粒子质量限制最高可达2.2 TeV，电荷范围为10e至350e。
• 在光子融合机制下，HECOs的95%置信水平质量限制最高可达3.4 TeV，电荷范围为5e至350e，考虑自旋为½、0和1的情况。
• 本研究设定了迄今为止最严格的MM和HECOs生产截面限制，对Drell-Yan过程灵敏度达1 fb，对光子融合过程灵敏度达1 fb至4 pb。