Ученые провели поиск магнитных монополей на Большом адронном коллайдере (БАК) в рамках эксперимента ATLAS и определили самые жесткие на сегодня ограничения на свойства этих загадочных частиц. Результаты исследования, опубликованные в репозитории arXiv, помогут облегчить дальнейший поиск частиц, которые могут быть представлены как отдельно взятый полюс двухполюсного магнита.
Существование магнитных монополей согласуется с квантовой механикой и было предсказано в рамках теорий, пытающихся объединить фундаментальные физические взаимодействия. Эти экзотические частицы могли присутствовать в ранней Вселенной, однако во время фазы экспоненциального расширения Вселенной, известной как инфляция, их плотность стало очень низкой. Согласно теории Дирака, величина наименьшего магнитного заряда (gD) эквивалента 68,5-кратному заряду электрона, поэтому монополь должен ионизировать вещество аналогично объекту с высоким электрическим зарядом.
В рамках эксперимента ATLAS проводился поиск пар магнитных монополей с массой примерно до четырех тераэлектронвольт (ТэВ). Считается, что эти пары могут быть созданы в результате столкновений протонов с энергией 13 тераэлектронвольт через два физических механизма: Дрелла-Яна, когда столкновение порождает виртуальный фотон, создающий монополи, либо посредством фотонного синтеза, когда два виртуальных фотона взаимодействуют с образованием монополя.
Когда частица ионизирует материал детектора, ATLAS регистрирует выделяемую энергию, которая пропорциональна квадрату заряда частицы. Таким образом, магнитные монополи должны оставлять энергетические следы в детекторе. Ученые проанализировали данные экспериментов второго пробега Большого адронного коллайдера за 2015-2018 годы в поисках магнитных монополей или объектов с высоким электрическим зарядом (HECO).
Поиск был нацелен на монополи с магнитным зарядом 1gD и 2gD и HECO с электрическим зарядом 20e, 40e, 60e, 80e и 100e (e — заряд электрона) с массой от 0,2 ТэВ до 4 ТэВ. Поскольку ни одну из гипотетических частиц найти не удалось, ученые установили новые ограничения на диапазоны скорости формирования и масс магнитных монополей с зарядом 1gD и 2gD. Это позволит сделать более точным дальнейший поиск гипотетических частиц при анализе данных второго и третьего пробега БАК.