Experimento do Grande Colisor de Hádrons se concentra em monopolos magnéticos

O detector MoEDAL. Crédito:CERN

O falecido físico Joseph Polchinski disse certa vez que a existência de monopolos magnéticos é “uma das apostas mais seguras que se pode fazer sobre a física ainda não vista”. Na sua busca por estas partículas, que têm uma carga magnética e são previstas por várias teorias que ampliam o Modelo Padrão, a colaboração do MoEDAL no Large Hadron Collider (LHC) ainda não provou que Polchinski estava certo, mas as suas últimas descobertas marcam um avanço significativo. avançar.

Os resultados, relatados em dois artigos publicados no arXiv servidor de pré-impressão, estreita consideravelmente a janela de pesquisa para essas partículas hipotéticas.

No LHC, pares de monopolos magnéticos poderiam ser produzidos em interações entre prótons ou íons pesados. Nas colisões entre prótons, eles poderiam ser formados a partir de um único fóton virtual (o mecanismo Drell-Yan) ou da fusão de dois fótons virtuais (o mecanismo de fusão de fótons). Pares de monopolos magnéticos também poderiam ser produzidos a partir do vácuo nos enormes campos magnéticos criados em colisões quase acidentais de íons pesados, através de um processo chamado mecanismo de Schwinger.

Desde que começou a recolher dados em 2012, o MoEDAL alcançou vários avanços, incluindo a realização das primeiras pesquisas no LHC por monopolos magnéticos produzidos através do mecanismo de fusão de fotões e através do mecanismo de Schwinger.

No primeiro dos seus últimos estudos, a colaboração MoEDAL procurou monopolos e objetos de alta carga elétrica (HECOs) produzidos através dos mecanismos Drell-Yan e de fusão de fótons. A pesquisa foi baseada em dados de colisão próton-próton coletados durante a 2ª execução do LHC, usando pela primeira vez o detector MoEDAL completo.

O detector completo compreende dois sistemas principais sensíveis a monopolos magnéticos, HECOs e outras partículas hipotéticas altamente ionizantes. O primeiro pode registrar permanentemente os rastros de monopolos magnéticos e HECOs, sem sinais de fundo das partículas do Modelo Padrão. Essas trilhas são medidas usando microscópios ópticos de varredura no INFN Bologna.

O segundo sistema consiste em aproximadamente uma tonelada de volumes de captura projetados para capturar monopolos magnéticos. Esses volumes de captura - que tornam o MoEDAL o único experimento de colisor no mundo que pode identificar de forma definitiva e direta a carga magnética dos monopolos magnéticos - são escaneados na ETH Zurique usando um tipo especial de magnetômetro chamado SQUID para procurar quaisquer monopolos presos que possam conter. .

Na sua última varredura dos volumes de captura, a equipe do MoEDAL não encontrou monopolos magnéticos ou HECOs, mas estabeleceu limites para a massa e a taxa de produção dessas partículas para diferentes valores de spin das partículas, uma forma intrínseca de momento angular.

Para monopolos magnéticos, os limites de massa foram estabelecidos para cargas magnéticas de 1 a 10 vezes a unidade fundamental de carga magnética, a carga de Dirac (gD), e a existência de monopolos com massas tão altas quanto cerca de 3,9 trilhões de elétron-volts (TeV) foi excluída. .

Para HECOs, foram estabelecidos limites de massa para cargas elétricas de 5e a 350e, onde e é a carga do elétron, e foi descartada a existência de HECOs com massas variando até 3,4 TeV.

"O alcance da pesquisa do MoEDAL tanto para monopolos quanto para HECOs permite que a colaboração pesquise uma enorme faixa do 'espaço de descoberta' teórico para essas partículas hipotéticas", disse o porta-voz do MoEDAL, James Pinfold.

No seu segundo estudo mais recente, a equipa do MoEDAL concentrou-se na procura de monopolos produzidos através do mecanismo de Schwinger em dados de colisão de iões pesados obtidos durante a 1ª execução do LHC. Num esforço único, escaneou uma secção desactivada do tubo de feixe experimental do CMS, em vez dos volumes de captura do detector MoEDAL, em busca de monopolos presos.

Mais uma vez, a equipa não encontrou monopolos, mas estabeleceu os limites de massa mais fortes até à data para os monopolos de Schwinger com uma carga entre 2gD e 45gD, descartando a existência de monopolos com massas até 80 GeV.

“A importância vital do mecanismo de Schwinger é que a produção de monopolos compostos não é suprimida em comparação com a dos elementares, como é o caso dos processos Drell-Yan e de fusão de fótons”, explica Pinfold. "Assim, se os monopolos são partículas compostas, esta e a nossa pesquisa anterior do monopolo de Schwinger podem ter sido as primeiras oportunidades de observá-los."

O detector MoEDAL será em breve acompanhado pelo Aparelho MoEDAL para Partículas Penetrantes, abreviadamente MAPP, o que permitirá ao experimento lançar uma rede ainda mais ampla na busca por novas partículas.

Mais informações: Procure por partículas altamente ionizantes em colisões pp durante a execução 2 do LHC usando o detector MoEDAL completo, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2311.06509
B. Acharya et al, pesquisa MoEDAL no tubo de feixe CMS para monopolos magnéticos produzidos através do efeito Schwinger, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2402.15682

Informações do diário: arXiv

Fornecido pelo CERN

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