ATLAS-Experiment sucht nach magnetischen Monopolen

Künstlerische Darstellung von magnetischen Monopolen (großes Bild) und einem magnetischen Dipol (kleines Bild). (Credit: Image: CERN)
Künstlerische Darstellung von magnetischen Monopolen (großes Bild) und einem magnetischen Dipol (kleines Bild). (Credit: Image: CERN)

Teilt man einen Magneten, egal wie klein, bekommt man zwei Magneten – jeder mit einem Süd- und Nordpol. Manche Theorien sagen jedoch Teilchen mit einem isolierten Magnetpol voraus, die eine magnetische Ladung analog zu einer positiven oder negativen elektrischen Ladung tragen würden. Aber trotz vieler Suchprogramme wurden solche magnetische Monopole in Teilchenbeschleunigern bislang nie beobachtet.

Eine neue Suche der ATLAS Collaboration am CERN setzt der Produktionsrate dieser hypothetischen Teilchen jetzt die bisher engsten Grenzen. Diese Ergebnisse ergänzen jene des MoEDAL-Experiments am CERN, das speziell für die Suche nach magnetischen Monopolen entworfen wurde.

Magnetische Monopole wurden ursprünglich im Jahr 1931 von dem Physiker Paul Dirac vorgeschlagen. Seitdem werden sie als ein Ergebnis der sogenannten großen vereinheitlichten Theorien (Grand Unified Theories, GUTs) der Teilchenphysik angesehen, die Grundkräfte bei hohen Energien zu einer einzigen Kraft verbinden. Solche GUT-Monopole besitzen typischerweise Massen, die zu hoch sind, um in Teilchenbeschleunigern entdeckt zu werden. Aber manche Erweiterungen des Standardmodells sagen Monopole voraus, deren Massen im Messbereich von Teilchenbeschleunigern liegen könnten.

Die neueste ATLAS-Suche basiert auf Daten von Proton-Proton-Kollisionen am Large Hadron Collider (LHC) bei einer Energie von 13 Teraelektronenvolt. Die Collaboration suchte in den Daten nach Anzeichen für große Energiemengen, die von den magnetischen Monopolen im ATLAS-Teilchendetektor zurückgelassen würden. Die Energiemengen wären proportional zum Quadrat ihrer magnetischen Ladung. So große Energiemengen sind außerdem eine erwartete Signatur von Objekten mit hoher elektrischer Ladung (high-electric-charge objects, HECOs), zu denen auch Schwarze Minilöcher gehören könnten. Daher war die Suche auch empfindlich für HECOs.

Das Team fand in den Daten keine Anzeichen für magnetische Monopole oder HECOs, aber verbesserte frühere Arbeiten an mehreren Fronten. Erstens setzte die Suche der Produktionsrate von Monopolen genauere Grenzen, die eine oder zwei Einheiten einer fundamentalen Ladung namens Dirac-Ladung tragen. Die neuen Grenzen übertreffen jene des MoEDAL-Experiments, wenngleich MoEDAL empfindlich gegenüber einem größeren Bereich an magnetischer Ladung ist (bis zu fünf Dirac-Ladungen) und Monopole nachweisen kann, die von zwei Mechanismen produziert werden. ATLAS dagegen untersuchte nur einen Mechanismus. Forscher des MoEDAL-Experiments arbeiten auch daran, dass das Experiment Monopole mit magnetischen Ladungen weit jenseits von fünf Dirac-Ladungen untersuchen kann.

Darüber hinaus verbessert die ATLAS-Suche die Grenzen der Produktionsrate von HECOs mit elektrischen Ladungen, die 20-60 Mal größer als die Ladung des Elektrons sind. Letztendlich ist die Suche die erste, die HECOs mit Ladungen größer als der 60-fachen Elektronenladung untersuchen kann, was den Messbereich früherer ATLAS-Suchen und den der CMS Collaboration übertrifft.

Quelle

(THK)

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