Magnete, jene Alltagsgegenstände, die wir an unseren Kühlschränken befestigen, haben alle eine einzigartige Eigenschaft gemeinsam: Sie haben immer sowohl einen Nord- als auch einen Südpol. Selbst wenn Sie versuchen würden, einen Magneten in zwei Hälften zu zerbrechen, würden sich die Pole nicht trennen – Sie würden nur zwei kleinere Dipolmagnete erhalten. Aber was wäre, wenn ein Teilchen einen einzelnen Pol mit magnetischer Ladung hätte?
Seit über einem Jahrhundert suchen Physiker nach solchen magnetischen Monopolen. A neue Studie auf dem Preprint-Server arXiv aus der ATLAS-Kollaboration am Large Hadron Collider (LHC) setzt diesen hypothetischen Teilchen neue Grenzen und liefert neue Hinweise für die weitere Suche.
Im Jahr 1931 bewies der Physiker Paul Dirac, dass die Existenz magnetischer Monopole mit der Quantenmechanik im Einklang steht und – wie beobachtet wurde – die Quantisierung der elektrischen Ladung erfordert. In den 1970er Jahren wurden magnetische Monopole auch durch neue Theorien vorhergesagt, die versuchten, alle fundamentalen Kräfte der Natur zu vereinen, was den Physiker Joseph Polchinski zu der Behauptung inspirierte, ihre Existenz sei „eine der sichersten Wetten, die man über noch nicht gesehene Physik machen kann“. Magnetische Monopole könnten im frühen Universum vorhanden gewesen sein, aber während der frühen exponentiellen Expansionsphase, die als kosmische Inflation bekannt ist, auf eine unmerklich geringe Dichte verdünnt worden sein.
Forscher des ATLAS-Experiments suchen nach Paaren punktförmiger magnetischer Monopole mit Massen von bis zu etwa 4 Teraelektronenvolt (TeV). Diese Paare könnten bei 13-TeV-Kollisionen zwischen Protonen über zwei verschiedene Mechanismen erzeugt werden: „Drell-Yan“, bei dem ein bei den Kollisionen erzeugtes virtuelles Photon die magnetischen Monopole erzeugt, oder „Photonenfusion“, bei der zwei virtuelle Photonen durchstrahlen Die Protonen interagieren und erzeugen die magnetischen Monopole.
Die Detektionsstrategie der Zusammenarbeit basiert auf Diracs Theorie, die besagt, dass die Größe der kleinsten magnetischen Ladung (gD) dem 68,5-fachen der Grundeinheit der elektrischen Ladung, der Ladung des Elektrons (e), entspricht. Folglich würde ein magnetischer Monopol mit einer Ladung von 1 gD Materie auf ähnliche Weise ionisieren wie ein Objekt mit hoher elektrischer Ladung (HECO).
Wenn ein Teilchen das Detektormaterial ionisiert, zeichnet ATLAS die deponierte Energie auf, die proportional zum Quadrat der Ladung des Teilchens ist. Daher würden magnetische Monopole oder HECOs entlang ihrer Flugbahn im ATLAS-Detektor große Energieablagerungen hinterlassen. Da der ATLAS-Detektor für die Aufzeichnung niedrig geladener und neutraler Teilchen konzipiert wurde, ist die Charakterisierung dieser hochenergetischen Ablagerungen von entscheidender Bedeutung für die Suche nach Monopolen und HECOs.
In ihrer neuen Studie durchsuchten die ATLAS-Forscher den gesamten Datensatz des Experiments aus Lauf 2 des LHC (2015–2018) auf der Suche nach magnetischen Monopolen und HECOs. Bei der Suche wurden der Übergangsstrahlungs-Tracker des Detektors und das fein segmentierte elektromagnetische Flüssig-Argon-Kalorimeter eingesetzt. Das Ergebnis setzt einige der bisher strengsten Grenzen für die Produktionsrate magnetischer Monopole.
Die Suche zielte auf Monopole der magnetischen Ladung 1gD und 2gD und HECOs der elektrischen Ladung 20e, 40e, 60e, 80e und 100e mit Massen zwischen 0,2 TeV und 4 TeV. Im Vergleich zu den vorherige ATLAS-SucheDas neue Ergebnis profitierte vom größeren, vollständigen Run-2-Datensatz. Dies war auch die erste ATLAS-Analyse, die den Produktionsmechanismus der Photonenfusion berücksichtigte.
Da der Datensatz keine Hinweise auf magnetische Monopole oder HECOs enthielt, legten die ATLAS-Forscher neue Grenzwerte für die Produktionsrate und Masse von Monopolen mit einer magnetischen Ladung von 1 gD und 2 gD fest. ATLAS bleibt das Experiment mit der größten Empfindlichkeit gegenüber Monopolen in diesem Ladungsbereich; das kleinere LHC-Experiment, das MoEDAL-MAPP zuvor durchgeführt hat studiert eine größere Ladereichweite und hat auch gesucht für Monopole endlicher Größe.
Die ATLAS-Physiker werden ihre Suche nach magnetischen Monopolen und HECOs fortsetzen, ihre Suchtechniken weiter verfeinern und neue Strategien zur Untersuchung der Daten von Run-2 und Run-3 entwickeln.
Mehr Informationen:
Suche nach magnetischen Monopolen und stabilen Teilchen mit hohen elektrischen Ladungen in √s=13 TeVpp-Kollisionen mit dem ATLAS-Detektor, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2308.04835