Le regretté physicien Joseph Polchinski a dit un jour que l'existence de monopôles magnétiques est "l'un des paris les plus sûrs que l'on puisse faire sur la physique encore jamais vue". Dans sa quête de ces particules, qui ont une charge magnétique et sont prédites par plusieurs théories qui étendent le modèle standard, la collaboration MoEDAL au Grand collisionneur de hadrons (LHC) n'a pas encore donné raison à Polchinski, mais ses dernières découvertes marquent une avancée significative. en avant.

Les résultats, rapportés dans deux articles publiés sur arXiv serveur de préimpression, réduisez considérablement la fenêtre de recherche de ces particules hypothétiques.

Au LHC, des paires de monopôles magnétiques pourraient être produites lors d'interactions entre protons ou ions lourds. Lors de collisions entre protons, ils pourraient être formés à partir d’un seul photon virtuel (le mécanisme Drell-Yan) ou de la fusion de deux photons virtuels (le mécanisme de fusion de photons). Des paires de monopôles magnétiques pourraient également être produites à partir du vide dans les énormes champs magnétiques créés lors de quasi-collisions d'ions lourds, grâce à un processus appelé mécanisme de Schwinger.

Depuis qu'il a commencé à collecter des données en 2012, le MoEDAL a réalisé plusieurs premières, notamment en menant les premières recherches au LHC sur les monopôles magnétiques produits via le mécanisme de fusion de photons et via le mécanisme de Schwinger.

Dans la première de ses dernières études, la collaboration MoEDAL a recherché des monopôles et des objets à haute charge électrique (HECO) produits via les mécanismes Drell-Yan et de fusion de photons. La recherche était basée sur les données de collision proton-proton collectées lors de l'exploitation 2 du LHC, en utilisant pour la première fois le détecteur MoEDAL complet.

Le détecteur complet comprend deux systèmes principaux sensibles aux monopôles magnétiques, aux HECO et à d'autres particules hypothétiques hautement ionisantes. Le premier peut enregistrer en permanence les traces des monopôles magnétiques et des HECO, sans aucun signal de fond provenant des particules du modèle standard. Ces traces sont mesurées à l'aide de microscopes à balayage optique à l'INFN de Bologne.

Le deuxième système consiste en environ une tonne de volumes de piégeage conçus pour capturer les monopôles magnétiques. Ces volumes de piégeage, qui font de MoEDAL la seule expérience de collisionneur au monde capable d'identifier de manière définitive et directe la charge magnétique des monopôles magnétiques, sont scannés à l'ETH Zurich à l'aide d'un type spécial de magnétomètre appelé SQUID pour rechercher les monopôles piégés qu'ils peuvent contenir. .

Lors de leur dernière analyse des volumes de piégeage, l'équipe du MoEDAL n'a trouvé aucun monopôle magnétique ni HECO, mais elle a fixé des limites sur la masse et le taux de production de ces particules pour différentes valeurs de spin des particules, une forme intrinsèque de moment cinétique.

Pour les monopôles magnétiques, les limites de masse ont été fixées pour des charges magnétiques allant de 1 à 10 fois l'unité fondamentale de charge magnétique, la charge de Dirac (gD), et l'existence de monopôles avec des masses aussi élevées qu'environ 3,9 billions d'électronvolts (TeV) a été exclue. .

Pour les HECO, les limites de masse ont été établies pour les charges électriques de 5e à 350e, où e est la charge électronique, et l'existence de HECO avec des masses allant jusqu'à 3,4 TeV a été exclue.

"La portée de recherche du MoEDAL à la fois sur les monopôles et les HECO permet à la collaboration d'étudier une vaste partie de "l'espace de découverte" théorique de ces particules hypothétiques", a déclaré James Pinfold, porte-parole du MoEDAL.

Dans sa deuxième étude la plus récente, l'équipe du MoEDAL s'est concentrée sur la recherche de monopôles produits via le mécanisme de Schwinger dans les données de collision d'ions lourds prises lors de l'exploitation 1 du LHC. Dans le cadre d'une initiative unique, il a scanné une section mise hors service du tube de faisceau de l'expérience CMS, au lieu des volumes de piégeage du détecteur MoEDAL, à la recherche de monopôles piégés.

Une fois de plus, l'équipe n'a trouvé aucun monopôle, mais elle a fixé les limites de masse les plus strictes à ce jour sur les monopôles Schwinger avec une charge comprise entre 2 gD et 45 gD, excluant l'existence de monopôles avec des masses allant jusqu'à 80 GeV.

"L'importance vitale du mécanisme de Schwinger est que la production de monopôles composites n'est pas supprimée par rapport à celle des monopôles élémentaires, comme c'est le cas avec les processus Drell-Yan et de fusion de photons", explique Pinfold. "Ainsi, si les monopôles sont des particules composites, cette recherche et notre précédente recherche sur le monopôle de Schwinger pourraient avoir été la toute première occasion de les observer."

Le détecteur MoEDAL sera bientôt rejoint par l'Appareil MoEDAL pour les particules pénétrantes, MAPP en abrégé, ce qui permettra à l'expérience d'élargir encore plus son réseau dans la recherche de nouvelles particules.