Los límites de MoEDAL a la masa de los monopolos magnéticos

Por Francisco R. Villatoro, el 10 agosto, 2016. Categoría(s): Ciencia • Física • LHC - CERN • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 2

Dibujo20160810 MoEDAL LHCb LHC CERN

El experimento MoEDAL (Monopole and Exotics Detector at the LHC) busca monopolos magnéticos en el punto 8 del LHC, donde se encuentra LHCb. Se descarta la existencia de monopolos magnéticos con una masa entre 100 GeV y 3500 GeV, y una carga superior a la mitad de la carga magnética de Dirac (|g| > 0,5 gD). Además, se presentan diversos límites para monopolos con cargas entre 1 gD ≤ |g| ≤ 6 gD. Estos resultados se han obtenido tras analizar 0,75 /fb de colisiones a 8 TeV c.m. obtenidas en el LHC Run 1 durante el año 2012. Ya fueron anunciados en 2013 de forma preliminar en una conferencia científica.

El nuevo artículo (que ha sido enviado a JHEP) es The MoEDAL Collaboration, «Search for magnetic monopoles with the MoEDAL prototype trapping detector in 8 TeV proton-proton collisions at the LHC,» arXiv:1604.06645 [hep-ex]. Más información divulgativa en Isidoro García, «El experimento del LHC MoEDAL publica sus primeros resultados en la búsqueda de monopolos magnéticos,» IFIC, 10 Ago 2016. Recomiendo también T’mir Danger Julius, «The mysterious missing magnetic monopole,» The Conversation, Phys.Org, 09 Aug 2016.

[PS 11 Ago 2016] Fotos de los personajes de esta entrada en las transparencias de James Pinfold, «The MoEDAL Experiment at the LHC – a New Light on the Particle Physics of the Birth of the Universe,» Planck 2016, 27 May 2016 [contrib].

Dibujo20160809 Cross-section upper limits monopole production mass monopoles MoEDAL LHC

 

Las ecuaciones clásicas del electromagnetismo permiten incorporar los monopolos magnéticos en pie de igualdad a las cargas eléctricas. Como no había indicios de su existencia, James C. Maxwell (1865) no los incluyó de forma explícita en sus ecuaciones. Pierre Curie (1894) fue el primero que recordó que no había ninguna ley física que los prohibiera. Más aún, Paul A.M. Dirac (1931) se dio cuenta de que la física cuántica de los monopolos magnéticos permitía explicar por qué la carga eléctrica está cuantizada en unidades de la carga del electrón.

En la teoría de Dirac la carga magnética de un monopolo es un múltiplo de una unidad magnética de Dirac, g = n gD. Los monopolos magnéticos de Dirac tienen n=1 porque están asociados a la carga eléctrica del electrón. Hoy sabemos que dicha carga está cuantizada en unidades de la carga del quark down (abajo), siendo la carga del electrón el triple de la carga de dicho quark. En el caso de que existiesen quarks libres, el monopolo magnético asociado tendría n=3. Existen otros teorías de monopolos con otros valores de n, como los monopolos de Schwinger que tienen n=2.

Dibujo20160809 Cross-section upper limits monopole production charge monopoles MoEDAL LHC

Las teorías de Yang–Mills con rotura espontánea de la simetría, como la que describe la teoría electrodébil (EWT) o las teorías de gran unificación (GUT), predicen la existencia de monopolos magnéticos, llamados monopolos de Cho–Maison en EWT y monopolos de ‘t Hooft–Polyakov en GUT. Argumentos de naturalidad teórica implican que los monopolos de Cho–Maison deben tener una masa en la escala TeV. Estos monopolos son los que busca MoEDAL, ya que los monopolos de  ‘t Hooft–Polyakov debe tener masa en la escala de energía GUT, como mínimo mil millones de veces mayor que la alcanzable en el LHC.

MoEDAL estudia la producción de monopolos a pares mediante el proceso de Drell–Yan. Una colisión quark-antiquark produce un fotón excitado que se desintegra en un par monopolo-antimonopolo. Estos monopolos penetran en el detector donde interaccionan con los núcleos atómicos quedando atrapados en cierto lugar, donde ionizan fuertemente su entorno. El prototipo de MoEDAL usa 160 kg de aluminio en cilindros de 60 cm de longitud y 2,5 cm de diámetro alojados en 11 cajas, con 18 cilindros por caja (la versión final de MoEDAL usará 800 kg de aluminio). Los núcleos aluminio  tienen un campo magnético grande, luego se acoplan fuertemente con un monopolo. Además, el aluminio no es magnético, luego se puede dividir en muestras que son pasadas por un magnetómetro tipo SQUID para buscar una corriente inducida persistente, señal de la presencia de un monopolo.

El prototipo de MoEDAL ha tomado datos entre septiembre y diciembre de 2012. Tras la toma de datos los cilindros de aluminio son divididos en trozos de 20 cm de longitud, excepto uno que se divide en trozos de 10, 15, 20 y 30 cm, para totalizar un total de 606 muestras. Todas ellas se estudian con un magnetómetro SQUID en el Laboratorio de Magnetismo Natural del ETH de Zurich.

Dibujo20160809 Magnetic charge in units of the Dirac charge measured in 2012 MoEDAL trapping detector

Los resultados excluyen la presencia de ningún monopolo magnético con |g| ≥ 0.5 gD con un nivel de confianza superior al 99,75%, es decir, tres sigmas. Se excluyen monopolos con espín 0 y espín 1/2 con masas entre 100 GeV y 3,5 TeV, para cargas entre gD ≤ |g| ≤ 6 gD. Un resultado mucho mejor que el que se puede obtener con ATLAS o CMS.

En resumen, el modelo estándar predice la existencia de los monopolos magnéticos de Cho–Maison con masas O(1) TeV. No se han encontrado monopolos magnéticos con masa inferior a 3,5 TeV usando el LHC Run 1 con colisiones a 8 TeV c.m. Gracias a las futuras colisiones a 14 TeV c.m. en el LHC se podrá subir la cota hasta unos 6 TeV. Incluso si no se encuentran estos monopolos magnéticos, el modelo estándar predice que deben existir. Por tanto, habrá que seguir buscándolos con futuros colisionadores. Quien afirme que el Higgs cierra todas las predicciones del modelo estándar ignora que hay muchas otras aún más interesantes y sugerentes.



2 Comentarios

  1. En el útlimo párrafo dices que el modelo estándar predice que deben existir los monopolos magnéticos. Siempre he pensado que el modelo lo que hace es no descartar su existencia, que no es lo mismo.

    Con la primera afirmación los monopolos existen para la teoría, con la segunda los monopolos no tienen por qué existir.

    ¿Me equivoco?

    Un saludo

    1. Martxelo, igual que el axión es una predicción de la QCD, el monopolo de Cho–Maison es una predicción de la teoría electrodébil de Weinberg-Salam. Igual que el axión QCD, el monopolo Cho-Maison, o la masa de los neutrinos, se suele considerar física más allá del modelo estándar, porque se llama modelo estándar a la teoría de 1973 y más allá del modelo estándar a la teoría en 1974. El monopolo de Cho-Maison tiene un problema intrínseco, es una solución singular y requiere regularización, luego se debe interpretar el modelo estándar como una teoría efectiva que aproxima a una teoría a mayor energía. Se puede evitar este problema modificando un poco la teoría original de Weinberg-Salam, como se hace para incorporar la masa de los neutrinos, apareciendo el monopolo de Cho-Kim-Yoon, que permite que el modelo estándar «modificado» sea válido hasta la escala de Planck.

      En mi opinión, que no todos los físicos comparten, el monopolo de Cho-Maison tiene un status en el modelo estándar similar a la masa de los neutrinos o al axión QCD. Llámale predicción, o como quieras, si se descubre se incorporará sin ningún problema y todo el mundo dirá que era una predicción; si no se descubre es porque existe física más allá del modelo estándar que impide su existencia.

      Un artículo reciente de John Ellis afirma que el monopolo electrodébil debe tener una masa inferior a 5,5 TeV, luego su descubrimiento con el LHC Run 3 es posible (John Ellis, Nick E. Mavromatos, Tevong You, «The price of an electroweak monopole,» Physics Letters B 756: 29–35 (10 May 2016), doi: 10.1016/j.physletb.2016.02.048, arXiv:1602.01745 [hep-ph]).

      Mi argumento básico es el siguiente: ¿Predice el modelo estándar los tetraquarks y los pentaquarks? Si tu respuesta es que no, «que lo que hace es no descartar su existencia», entonces solo puedo preguntar ¿tiene el modelo estándar algún mecanismo que impida de forma explícita su existencia?

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Por Francisco R. Villatoro, publicado el 10 agosto, 2016
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