De resultaten worden gerapporteerd in twee artikelen die op de arXiv zijn geplaatst preprint-server, verkleinen het zoekvenster voor deze hypothetische deeltjes aanzienlijk.

Bij de LHC zouden paren magnetische monopolen kunnen worden geproduceerd in interacties tussen protonen of zware ionen. Bij botsingen tussen protonen kunnen ze worden gevormd uit een enkel virtueel foton (het Drell-Yan-mechanisme) of uit de fusie van twee virtuele fotonen (het foton-fusiemechanisme). Paren van magnetische monopolen kunnen ook worden geproduceerd uit het vacuüm in de enorme magnetische velden die ontstaan ​​bij botsingen met zware ionen, via een proces dat het Schwinger-mechanisme wordt genoemd.

Sinds MoEDAL in 2012 begon met het verzamelen van gegevens, heeft het verschillende primeurs behaald, waaronder het uitvoeren van de eerste zoektochten bij de LHC naar magnetische monopolen die zijn geproduceerd via het fotonfusiemechanisme en via het Schwinger-mechanisme.

In de eerste van zijn laatste onderzoeken zocht de MoEDAL-samenwerking naar monopolen en objecten met een hoge elektrische lading (HECO's) geproduceerd via de Drell-Yan- en fotonfusiemechanismen. De zoektocht was gebaseerd op proton-proton-botsingsgegevens verzameld tijdens run 2 van de LHC, waarbij voor het eerst de volledige MoEDAL-detector werd gebruikt.

De volledige detector bestaat uit twee hoofdsystemen die gevoelig zijn voor magnetische monopolen, HECO's en andere sterk ioniserende hypothetische deeltjes. De eerste kan permanent de sporen van magnetische monopolen en HECO's registreren, zonder achtergrondsignalen van standaardmodeldeeltjes. Deze sporen worden gemeten met behulp van optische scanningmicroscopen bij INFN Bologna.

Het tweede systeem bestaat uit grofweg een ton vangvolumes die zijn ontworpen om magnetische monopolen te vangen. Deze vangvolumes – waardoor MoEDAL het enige botsingsexperiment ter wereld is dat de magnetische lading van magnetische monopolen definitief en direct kan identificeren – worden bij ETH Zürich gescand met behulp van een speciaal type magnetometer, een SQUID genaamd, om te zoeken naar eventuele gevangen monopolen die ze bevatten. .

Bij hun laatste scan van de vangvolumes vond het MoEDAL-team geen magnetische monopolen of HECO's, maar stelde het wel grenzen aan de massa en productiesnelheid van deze deeltjes voor verschillende waarden van deeltjesspin, een intrinsieke vorm van impulsmoment.

Voor magnetische monopolen werden de massagrenzen vastgesteld voor magnetische ladingen van 1 tot 10 maal de fundamentele eenheid van magnetische lading, de Dirac-lading (gD), en het bestaan ​​van monopolen met massa's zo hoog als ongeveer 3,9 biljoen elektronvolt (TeV) werd uitgesloten. .

Voor HECO's zijn de massalimieten vastgesteld voor elektrische ladingen van 5e tot 350e, waarbij e de elektronenlading is, en het bestaan ​​van HECO's met massa's tot 3,4 TeV werd uitgesloten.

"Het zoekbereik van MoEDAL voor zowel monopolen als HECO's stelt de samenwerking in staat een groot deel van de theoretische 'ontdekkingsruimte' voor deze hypothetische deeltjes te onderzoeken", zegt MoEDAL-woordvoerder James Pinfold.

In zijn op een na laatste onderzoek concentreerde het MoEDAL-team zich op de zoektocht naar monopolen geproduceerd via het Schwinger-mechanisme in botsingsgegevens van zware ionen die tijdens Run 1 van de LHC werden verzameld. In een unieke poging scande het een buiten gebruik gesteld deel van de straalpijp van het CMS-experiment, in plaats van de opvangvolumes van de MoEDAL-detector, op zoek naar vastzittende monopolen.

Opnieuw vond het team geen monopolen, maar stelde het de strengste massalimieten tot nu toe op voor Schwinger-monopolen met een lading tussen 2gD en 45gD, waardoor het bestaan ​​van monopolen met massa's tot 80 GeV werd uitgesloten.

"Het cruciale belang van het Schwinger-mechanisme is dat de productie van samengestelde monopolen niet wordt onderdrukt in vergelijking met die van elementaire monopolen, zoals het geval is bij de Drell-Yan- en fotonfusieprocessen", legt Pinfold uit. "Dus als monopolen samengestelde deeltjes zijn, kunnen dit en onze eerdere Schwinger-monopool-zoektocht de allereerste kansen zijn geweest om ze waar te nemen."

De MoEDAL-detector zal binnenkort worden vergezeld door de MoEDAL Apparatus for Penetrating Particles, kortweg MAPP, waardoor het experiment een nog breder netwerk kan uitwerpen in de zoektocht naar nieuwe deeltjes.

Meer informatie: Zoeken naar sterk ioniserende deeltjes in pp-botsingen tijdens LHC Run-2 met behulp van de volledige MoEDAL-detector, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2311.06509

B. Acharya et al, MoEDAL zoekt in de CMS-bundelpijp naar magnetische monopolen geproduceerd via het Schwinger-effect, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2402.15682

Journaalinformatie: arXiv

Geleverd door CERN