科学探索

MoEDAL实验寻找磁单极子的证据

科学探索万象经验2024-04-30

磁单极子的概念几十年来一直吸引着科学家们的兴趣，这是一种假想的粒子，它只具有一个磁极，要么是北极要么是南极。这与我们常见的磁体不同，后者总是有两个磁极（一个北极和一个南极）。磁单极子如果存在，将会是一个重大的科学发现，因为它将改变我们对电磁力和粒子物理学的基本理解。

欧洲核子研究中心大型强子对撞机(LHC)上的MoEDAL实验处于这项工作的最前沿。利用LHC可达到的巨大能量，MoEDAL进行了一项独特的任务，以搜索通过施温格效应产生的磁单极子。

1931年，传奇物理学家保罗·狄拉克首次提出了磁单极子的存在。他的优雅理论证明了电和磁之间美丽的对称性，表明对于每个电荷，都应该存在一个磁对偶。然而，与实验中观察到的各种正负电荷不同，磁单极一直顽固地躲避着实验的捕捉。

以朱利安·施温格命名的施温格效应为单极子的产生提供了一条潜在的途径。在一个非常强的电场存在的情况下，施温格的理论预测了自发对产生的可能性——一个粒子和它的反粒子从真空中突然出现。在磁单极子的情况下，足够强的电场可以触发单极子-反单极子对的产生。

MoEDAL实验采用了一种独特的方法来寻找单极子。与大多数为高能粒子碰撞而设计的 LHC 探测器不同，MoEDAL 专注于捕获逃离主探测器的长寿命大质量粒子。它在CMS 实验周围的战略性放置使其能够利用CMS 磁铁产生的强大磁场，该磁场可以捕获附近产生的磁单极。

至关重要的是，MoEDAL 将关键组件——束流管——放置在非常靠近CMS 相互作用点的位置。这种接近极大地增加了在施温格产生的单极子偏离之前捕获它们的机会。束流管本身由非磁性材料(铍)制成，以尽量减少对捕获单极子的干扰。
(www.Ws46.com)

MoEDAL 利用来自 LHC 的铅铅（Pb-Pb）碰撞数据进行了专门的施温格产生磁单极搜索。实验使用一种称为SQUID（超导量子干涉装置）磁强计对暴露的束管进行扫描。SQUID 可以检测极其微弱的磁场，使其成为寻找捕获磁单极的微弱信号的理想选择。

虽然这些搜索没有发现磁单极的明显迹象，但它确实取得了重大进展。MoEDAL 在2 到45 Dirac单位（磁荷单位）范围内为高磁荷磁单极设定了世界领先的质量限制。这有效地排除了质量高达80 GeV（吉电子伏特）的磁单极的存在，置信度为95%。这些结果代表了对这些难以捉摸的粒子的重大进展。

MoEDAL 对施温格产生的磁单极的搜索是一项正在进行的工作。随着 LHC 继续以更高的亮度（单位时间内碰撞数）运行并探索新型碰撞，MoEDAL 将能够获得不断增长的数据集，这有可能导致发现磁单极或完善排除限制。

MoEDAL 探测器系统的未来升级也已计划。这些升级旨在增强实验的灵敏度并允许探索更广泛的磁单极特性。此外，与理论物理学家的合作对于完善模型至关重要，这些模型预测了在各种 LHC 运行条件下施温格磁单极的产生率。