[论文解读] Search in 8 TeV proton-proton collisions with the MoEDAL monopole-trapping test array

K. Bendtz, A. Katre+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 21被引用 3

一句话总结

本论文展示了2012年在LHC部署的MoEDAL磁单极子捕集器（MMT）测试阵列的首次结果，旨在搜索8 TeV质子-质子碰撞中产生的磁单极子。通过使用超导直流-SQUID磁力计检测铝棒中被捕获单极子感应的持久电流，研究未发现磁荷高于狄拉克电荷0.4倍的单极子，从而在1–4倍狄拉克电荷范围及质量高达3.5 TeV的区间内建立了新的排除极限。

ABSTRACT

The magnetic monopole appears in theories of spontaneous gauge symmetry breaking and its existence would explain the quantisation of electric charge. MoEDAL is the latest approved LHC experiment, designed to search directly for monopoles produced in high-energy collisions. It has now taken data for the first time. The MoEDAL detectors are based on two complementary techniques: nuclear-track detectors are sensitive to the high-ionisation signature expected from a monopole, and the magnetic monopole trapper (MMT) relies on the stopping and trapping of monopoles inside an aluminium array which is then analysed with a superconducting magnetometer. The first results obtained with the MoEDAL MMT test array deployed in 2012 are presented. This experiment probes monopoles carrying a multiple of the fundamental unit magnetic charge for the first time at the LHC.

研究动机与目标

• 利用被动捕集技术，在LHC的8 TeV质子-质子碰撞中搜索磁单极子的产生。
• 测试使用铝吸收体和超导磁力计进行单极子捕集与探测的可行性。
• 探测一般通用型探测器无法触及的磁单极子磁荷与质量范围。
• 通过电磁感应实现背景无干扰的磁单极子磁荷直接测量。
• 为LHC中具有多个狄拉克电荷的磁单极子提供首次实验约束。

提出的方法

• 在LHCb相互作用点附近安装了由11个铝盒组成的测试阵列，每个铝盒内含18根棒材，用于捕获质子-质子碰撞中产生的磁单极子。
• 阵列暴露于0.75 fb⁻¹的8 TeV质子-质子碰撞后，被回收用于分析。
• 每根铝棒被切割成20 cm（或第11号盒使用混合长度）的样品，并在苏黎世联邦理工学院使用直流-SQUID摆动磁力计进行扫描。
• 通过偶极子标准和细长螺线管对由被捕获单极子感应的持久电流进行测量与校准，结果以狄拉克磁荷单位表示。
• 对每个样品重复多次测量，以区分由仪器不稳定引起的虚假跳变与真实信号。
• 数据分析包括偏移校正和分辨率监控，以确保可靠性并最小化误报。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在LHC中利用被动捕集与感应技术探测具有多个狄拉克电荷的磁单极子？
• RQ2 MoEDAL MMT测试阵列对磁荷高于狄拉克单位、质量高达3.5 TeV的单极子的灵敏度如何？
• RQ3 超导磁力计能否以高精度和低背景检测被捕获单极子的持久电流？
• RQ4 仪器不稳定性如何影响测量可靠性？未来部署中能否加以缓解？
• RQ5 在考虑实际材料与运动学假设的前提下，质子-质子碰撞中产生的磁单极子有多少比例会被铝阵列捕获并停止？

主要发现

• 在2012年MMT测试阵列的606个铝样品中均未检测到磁单极子。
• 实验排除了铝阵列中存在磁荷高于狄拉克电荷0.4倍（gD）的单极子的可能性。
• 磁力计的分辨率足以以高置信度排除磁荷高于0.4gD的单极子。
• 观测到虚假信号跳变，但其根源被追溯至仪器不稳定性，如磁通钉扎、样品移动和环境干扰。
• 在假设Drell-Yan产生模型的前提下，估计该阵列捕获了磁荷在n=1至n=4之间、质量高达3.5 TeV的单极子超过0.5%。
• 结果证明了利用感应实现无背景直接测量磁单极子磁荷的可行性，为MoEDAL MMT全规模部署铺平了道路。