尋找神秘磁單極子的新結果帶入光明

將磁鐵切成兩半會產生兩個磁鐵，每個磁鐵都有自己的北極和南極。顯然沒有孤立的磁極或“ 磁單極子 ”，一個多世紀以來一直困擾著物理學家。磁單極子存在似乎是完全自然的; 如果觀察到帶有磁荷的粒子，麥克斯韋方程式將反映電和磁之間的完全對稱性。但神秘之處在于：雖然每個已知的粒子都是帶電的或中性的，但沒有一個被發(fā)現(xiàn)是帶磁的。

1931年，保羅狄拉克正式提出了一種磁單極子理論，這種理論可能是在像大型強子對撞機那樣的條件下產生的。來自歐洲核子研究中心的ATLAS協(xié)作組織的科學家們設計了一種專門的技術來搜索這種粒子的證據。根據狄拉克的說法，基本磁荷的磁單極子(1 g D)電離物質的方式與高電荷物體(HECO)相同。與電荷平方成比例的大能量沉積物將留在ATLAS探測器中，這些粒子通過這些探測器行進。

因此，尋找具有這些特征的磁單極子與尋找電子電荷的許多倍(大于20)的穩(wěn)定粒子密切相關。ATLAS物理學家從ATLAS的跟蹤探測器和量熱計系統(tǒng)收集的數(shù)據中挑選出具有預期HECO或磁單極子特征的碰撞事件，以供進一步分析。通過區(qū)分熱量計中具有大而窄的能量沉積的區(qū)域以及過渡輻射跟蹤器中的相應高電離跡線來識別這些候選事件。

在ATLAS協(xié)作已經發(fā)布了其第一個結果從搜索在13 TeV能質子-質子碰撞磁單極子和HECOs。鑒于沒有觀察到磁單極子或HECO的證據，假設Drell-Yan電磁對生產機制，對spin-0和spin-½粒子建立了約束。

迄今為止，搜索是對磁性單極子在1至2 g D磁荷范圍內最敏感的研究，超過了專用MoEDAL實驗的結果，盡管如此，該實驗探測的范圍更大。該研究還改進了大約五倍的先前對磁電荷 1 g D的磁單極子直接產生的限制(見圖)。此外，它是第一次研究HECO，其電荷超過電子電荷的60倍，因此超出了CMS和ATLAS合作的先前研究所涵蓋的范圍。

ATLAS再次被證明是一種強大的科學研究工具。通過其通用檢測功能，物理學家將能夠繼續(xù)尋找像磁單極子這樣的奇異粒子。