大型强子对撞机管道使寻找难以捉摸的磁单极子比以往任何时候都更加容易
新研究利用欧洲核子研究中心大型强子对撞机（LHC）退役的光束管部分，使科学家比以往更接近地测试磁单极子是否存在。诺丁汉大学的科学家与一个国际团队合作，揭示了迄今为止对磁单极子存在的最严格限制，突破了人们对这些难以捉摸的粒子的了解界限。他们的研究成果发表在《物理评论快报》上。
在粒子物理学中，磁单极子是一种假设的基本粒子，它是一种只有一个磁极（有北极而没有南极，反之亦然）的孤立磁体。
诺丁汉大学物理与天文学院多萝西·霍奇金研究员奥利弗·古尔德是这项研究的首席理论家。他说：“可能存在只有一个磁极的粒子，要么是北极，要么是南极？这一有趣的可能性得到了著名物理学家皮埃尔·居里、保罗·狄拉克和约瑟夫·波尔钦斯基的支持，一直是理论物理学中最引人入胜的谜团之一。证实它们的存在将改变物理学，但迄今为止，实验研究一无所获。”
研究团队重点搜索了欧洲核子研究中心 (CERN) 大型强子对撞机 (LHC)的已退役光束管道部分。
这项研究由 LHC (MoEDAL) 实验的单极子和奇异探测器的物理学家进行，研究了位于紧凑型 μ 子螺线管 (CMS) 实验粒子碰撞点的铍束管部分。该管经受了数十亿次仅几厘米外发生的超高能离子碰撞的辐射。
“光束管与超相对论重离子碰撞点的接近度为探测具有空前高磁荷的单极子提供了独特的机会，”博士生阿迪亚·乌普雷蒂 (Aditya Upreti) 解释说，他在阿拉巴马大学奥斯特洛夫斯基教授的 MoEDAL 小组工作期间领导了这项实验分析。
“由于磁荷守恒，单极子不会衰减，预计会被管道材料捕获，这使我们能够使用直接对磁荷敏感的设备可靠地搜索它们。”
研究人员研究了大型强子对撞机重离子碰撞过程中磁单极子的产生，这种碰撞产生的磁场甚至比快速旋转的中子星的磁场还要强。如此强的磁场可以通过施温格机制自发产生磁单极子。
奥利弗补充道：“尽管这是一段注定要被丢弃的旧管道，但我们的预测表明，它可能是地球上最有希望找到磁单极子的地方。”
MoEDAL 合作团队使用超导磁力仪扫描光束管以寻找捕获磁荷的迹象。尽管他们没有发现磁单极子存在的证据，但他们的结果排除了小于 80 GeV/c 2（其中 c 为光速）的单极子的存在，并为 2 到 45 个基本单位的磁荷提供了世界领先的约束。
研究团队现在计划扩大他们的搜索范围。Oliver 总结道：“我们使用的光束管来自大型强子对撞机的第一次运行，该运行是在 2013 年之前进行的，能量较低。将研究扩展到更高能量的近期运行可以使我们的实验范围翻倍。我们现在也在考虑完全不同的磁单极子搜索策略。”
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