[论文解读] Searching for magnetic monopoles trapped in accelerator material at the Large Hadron Collider

M. D. Joergensen, A. De Roeck+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 25被引用 14

一句话总结

本研究使用基于SQUID的磁力计，对在质子-质子和铅-铅碰撞中暴露过的废弃LHC束流管道材料中被捕获的磁单极子进行搜索。尽管测试了多种校准方法并评估了背景信号，仍未检测到磁荷高于约三分之一狄拉克电荷的磁单极子，从而为未来搜索设定了更低的探测阈值。

ABSTRACT

If produced in high energy particle collisions at the LHC, magnetic monopoles could stop in material surrounding the interaction points. Obsolete parts of the beam pipe near the CMS interaction region, which were exposed to the products of pp and heavy ion collisions, were analysed using a SQUID-based magnetometer. The purpose of this work is to quantify the performance of the magnetometer in the context of a monopole search using a small set of samples of accelerator material ahead of the 2013 shutdown.

研究动机与目标

• 开发并测试用于在LHC加速器材料中探测被捕获磁单极子的实验技术。
• 量化基于SQUID的磁力计对不同磁荷磁单极子的灵敏度。
• 识别并减轻样品材料中大型磁偶极子引起的虚假信号。
• 建立在2013年LHC停机后处理和释放加速器材料用于磁单极子搜索的规程。
• 证明对低于和高于狄拉克电荷的磁单极子探测的可行性。

提出的方法

• 使用基于SQUID的磁力计测量束流管道样品中由磁荷感应的持久电流。
• 通过已知磁荷的伪单极子（包括4.14g_D标准）进行校准，以表征仪器响应。
• 利用磁场模拟和具有大偶极矩的岩石样品，研究类似于磁单极子信号的背景信号。
• 在48个或更多位置对样品进行多次测量，以确保可重复性并检测偏移跳变。
• 对部分样品施加振荡磁场进行去磁，以减少背景磁化。
• 通过在样品测量之间获取空夹具的测量值，执行背景扣除。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC加速器材料中，基于SQUID的磁力计可探测到的最小磁荷是多少？
• RQ2 材料样品中大型磁偶极矩如何模拟磁单极子信号？能否将其与真实信号区分开？
• RQ3 磁力计对磁荷从低于到高于狄拉克电荷的磁单极子的预期响应是什么？
• RQ4 能否在真实加速器样品中探测到磁荷大于三分之一狄拉克电荷的磁单极子？
• RQ5 为安全提取和分析加速器材料以进行磁单极子搜索，需要哪些规程？

主要发现

• 在测试的束流管道样品中，未发现磁荷高于约三分之一狄拉克电荷的磁单极子的证据。
• 样品中感应电流的峰值范围为0至狄拉克单极子预期电流的0.35倍，表明无显著磁单极子信号。
• 观察到约0.15g_D的偏移跳变，可能源于残余磁化，经去磁处理后得以降低。
• 使用磁荷为4.14g_D的伪单极子成功校准了磁力计响应，证实了此类信号的可探测性。
• 证实了被捕获磁单极子的持久电流特征具有独特且可重复的模式，与预期一致。
• 识别并量化了来自磁偶极子的背景信号，表明需谨慎选择样品并进行去磁处理。