Experiencia MoEDAL

El experimento MoEDAL ( detector monopolo y exóticas en el LHC ) es un experimento de física de alta energía . Compartirá una de las cavernas del acelerador LHC con el experimento LHCb . Su objetivo principal es buscar directamente monopolos magnéticos (MM) - o dyon -, otras partículas masivas estables (SMP) altamente ionizantes y partículas masivas pseudoestables.

Para detectar estas partículas, el proyecto utilizará detectores de trazas nucleares (DTN), que proporcionan un rastro del paso de partículas altamente ionizantes.

Dado que los monopolos magnéticos y los SMP son altamente ionizantes, los NTD son perfectamente adecuados para esta detección.

Es una colaboración de investigación internacional hablada por James Pinfold de la Universidad de Alberta . Este es el séptimo experimento del LHC, fue aprobado por el Consejo de Investigación del CERN en mayo de 2010 y comenzó sus primeras pruebas en enero de 2011.

Contexto

La investigación de SMP altamente ionizantes en el LHC se puede dividir en tres categorías principales.

El primero es el de las partículas masivas cargadas magnéticamente, como el monopolo magnético o el dión. Otra cuestión abierta en la nueva física es la existencia de SMP con una sola carga eléctrica, dando una segunda categoría de partículas altamente ionizantes por su bajo , donde . $\beta$ ${\ Displaystyle \ beta = {\ tfrac {v} {c}}}$

La posibilidad más obvia para un SMP es que existan uno o más estados, que contengan un nuevo número cuántico global conservado o casi conservado.

La supersimetría (SUSY) con paridad R, otras dimensiones con paridad KK y muchos otros modelos entran en esta categoría.

El más ligero de los nuevos estados sería estable, debido a la conservación de esta nueva paridad. Uno o más estados altamente relacionados también podrían ser estables o metaestables; dependiendo de los números cuánticos, el espectro de masas y las fuerzas de interacción.

La hipotética tercera clase tendría múltiples cargas eléctricas como los restos de un agujero negro o un bosón de Higgs de larga duración y doble carga.

Los SMP con carga magnética, con una carga eléctrica única o múltiple, y con un (Z es el número de carga eléctrica) de 5, pueden en principio ser detectados por los NTD CR39, poniéndolos efectivamente en el campo cubierto por el experimento. ${\ Displaystyle {\ tfrac {Z} {\ beta}}}$

La búsqueda del monopolo magnético

En 1931, Dirac introdujo el monopolo magnético para explicar la cuantificación de la carga eléctrica, lo que induce la existencia de al menos una carga magnética libre. Estableció la relación básica entre la carga eléctrica elemental e y la carga magnética básica

{\ Displaystyle g = {\ frac {n \ hbar c} {2e}} = ng_ {D}}

donde n es un número entero, n = 1, 2, ... La carga magnética ; ${\ Displaystyle g = ng_ {D}}$

{\ Displaystyle g_ {D} = {\ frac {\ hbar c} {2e}} = 68.5e}

se llama carga unitaria de Dirac.

La existencia de cargas magnéticas y corrientes magnéticas estaría simétricamente en forma de ecuaciones de Maxwell , pero la simetría no sería perfecta porque . Pero si los acoplamientos dependen de la energía, podrían converger hacia un valor común a energías muy altas. ${\ Displaystyle e \ neq g}$

No hay una predicción real de la masa de un monopolo magnético clásico de Dirac.

Podríamos obtener una estimación aproximada suponiendo que el radio del monopolo clásico es igual al radio clásico de un electrón: por lo tanto

{\ Displaystyle r_ {M} = {\ frac {g ^ {2}} {m_ {M} c ^ {2}}} = r_ {e} = {\ frac {e ^ {2}} {m_ {e } c ^ {2}}}}

de donde

{\ Displaystyle m_ {M} = {\ frac {g ^ {2} m_ {e}} {e ^ {2}}} \ sim n \ 4 \ 700 \ m_ {e} = {\ frac {n2,4 \ {\ text {GeV}}} {c ^ {2}}}}

Entonces, la masa debería ser relativamente grande e incluso mayor si la carga básica es (la carga del quark) y si n > 1. ${\ displaystyle {\ tfrac {e} {3}}}$

La gran unificación de monopolos magnéticos, con masas del orden de 10 15 GeV están mucho más allá de los rangos alcanzables por cualquier acelerador artificial. Sin embargo, existen modelos en los que los monopolos podrían aparecer a una escala masiva accesible al LHC. Estos ejemplos incluyen:

el monopolo electrodébil Cho-Maison;
el monopolo de Troost-Vinciarelli, cuya masa depende del campo de materia ( con campos de materia IVB, con campos de materia y con campos de materia de espín-1/2); ${\ Displaystyle {\ tfrac {104 \ {\ text {GeV}}} {c ^ {2}}}}$ ${\ Displaystyle {\ tfrac {102 \ {\ text {GeV}}} {c ^ {2}}}}$ ${\ Displaystyle {\ tfrac {50 \ {\ text {GeV}}} {c ^ {2}}}}$
modelos de supercuerdas donde se teorizan monopolos / dyons con una masa suficientemente baja ( ) para ser detectados en el LHC. ${\ Displaystyle {\ tfrac {1 \ {\ text {TeV}}} {c ^ {2}}}}$

Desde 1931, se han realizado investigaciones sobre monopolos magnéticos en cada nuevo acelerador en las fronteras de las altas energías. Los experimentos de investigación utilizados fueron relativamente sencillos y solo recientemente se han utilizado grandes colisionadores. De hecho, se han realizado búsquedas de monopolos en interacciones e + -e-, ep, pp y p-pbar en varios colisionadores de alta energía. Por ejemplo, la investigación en el colisionador de Fermilab parece descartar monopolos magnéticos con masas superiores a 850 GeV . Los experimentos en el colisionador LEP2 excluyeron masas inferiores a 102 GeV . Los límites de la producción de monopolos magnéticos dependen de los procesos físicos mediante los cuales se producen los monopolos.

La búsqueda de SMP

Los SMP genéricos que tienen una carga eléctrica y penetran a través del detector ATLAS o CMS dejarán un rastro de tipo muón claro, lento y de alto momento transversal. El ruido de fondo se suprimirá mediante el uso de la técnica de tiempo de vuelo. Por lo tanto, las PSM que penetran con una sección transversal de producción adecuada serían, en principio, observables. Sin embargo, como se dijo anteriormente, para que un SMP se detecte en el LHC en un determinado sistema de detección y se asocie con la lluvia correcta, debe llegar al menos 25 ns después de la llegada predeterminada de una partícula que viaja a la velocidad de la luz. Una llegada posterior implicaría la activación o detección en un intervalo de tiempo posterior. Esto complicaría la detección.

Para los SMP que están detenidos en el calorímetro y no pasan por el sistema de muones, se podría investigar la observación de un exceso de trazas en momentos transversales altos en los detectores internos.

Además, también se podría usar un observable como una partícula cargada que deja una firma de ionización anormal en las cámaras de seguimiento, con un perfil de energía de deposición característico. Sin embargo, las SMP altamente ionizantes podrían absorberse antes de ingresar a ATLAS o CMS. Además, como se describió anteriormente, la precisión con la que se puede medir la pérdida de energía de ionización no está clara.

Un ejemplo de un estudio de posible detección de SMP en el LHC asume un disparador de muones en ATLAS a alta luminosidad ( 1034 cm -2 · s -1 ) y a alto momento transversal ( ) en el que las tres estaciones de los ATLAS RPC son coincidentes . ${\ Displaystyle \ geq {\ tfrac {20 \ {\ text {GeV}}} {c}}}$

La eficiencia cae rápidamente del 50% para uno a cero para uno . Como las cámaras de muones más externas se extienden hasta un radio de 10 m en ATLAS, se puede ver que las SMP no las alcanzan durante el período de cruce de un solo haz de 25 ns . ${\ Displaystyle \ beta = 0.5}$ ${\ Displaystyle \ beta = 0.35}$

Un SMP sería detectable con NTD con un umbral de 5 a uno . El rápido aumento de la pérdida de energía con valores decrecientes significa que la partícula SMP podría detenerse dentro del calorímetro hadrónico. ${\ Displaystyle {\ tfrac {Z} {\ beta}}}$ ${\ Displaystyle \ beta = 0.4}$

El experimento MoeDAL podría mejorar la investigación ya realizada al autorizar la investigación de SMPs eléctricamente cargados con 5, con un máximo en torno a 200 e 300 e . El límite superior del SMP al que ATLAS y CMS serían sensibles es todavía vago. Sin embargo, esto probablemente estará muy por debajo del objetivo de MoEDAL. ${\ displaystyle {\ tfrac {Z} {\ beta}}>}$ $\ flecha correcta$ ${\ Displaystyle {\ tfrac {Z} {\ beta}}}$

Detección de monopolos magnéticos y partículas masivas estables.

El detector MoEDAL es un conjunto de ETD de plástico desplegado alrededor del área de intersección del detector LHCb, en el punto 8. El conjunto consta de una pila de ETD, diez capas, en cámaras de aluminio colgadas en la pared y en el piso. de la cueva VELO. La superficie máxima posible de los detectores es de aproximadamente 25 m 2 .

Notas y referencias

(fr) Este artículo está tomado parcial o totalmente del artículo de Wikipedia en inglés titulado “ MoEDAL experiment ” ( ver la lista de autores ) .

PAM Dirac, Proc. R. Soc. Londres, Set. A, 133, 60 (1931); PAM Dirac, Phys. Tev. , 24, 817 (1948)
G. Giacomelli y M. Sioli (Física de astropartículas), Conferencias en el 2002 Int. Escuela de Física, Constantine, Argelia, hep-ex / 0211035; G. Giacomelli y L. Patrizii, hepex / 011209; GR Kalbfleisch, Phys. Rvdo. Letón. 85, 5292 (2000); hep-ex / 0005005; KA Milton y col. , hep-ex / 0009003; B. Abbott y col. , hep-ex / 9803023, Phys. Rvdo. Letón. 81, 524 (1998); G. Giacomelli, Riv. Nuovo Cimento 7 N. 12, 1 (1984); M. Acciarri y col. , Phys. Letón. B345, 609 (1995); L. Gamberg y col. , hep-ph / 9906526
J. Schwinger, Science , vol. 165, número 3895, 757 (1969)
CERN Courier, MoEDAL se convierte en el magnífico séptimo del LHC , 5 de mayo de 2010