La colaboración del experimento MoEDAL publica en Physical Review Letters la primera búsqueda de monopolos magnéticos en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN como resultado de la fusión de dos fotones. Este nuevo método para buscar esta partícula, postulada por físicos como Paul Dirac o Gerard ‘t Hooft, ofrece una sección eficaz mayor que la del canal analizado hasta ahora por el experimento, la aniquilación de un quark y un antiquark, lo que permitirá mejorar las búsquedas de monopolos. El Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-Universitat de València) tiene una importante participación en el estudio, y es el único centro de investigación español en el experimento MoEDAL, contando para ello con el apoyo de la Generalitat Valenciana mediante un convenio con la UV.

Los monopolos magnéticos son unas partículas teorizadas por Paul Dirac en 1931 para resolver la asimetría de las ecuaciones de Maxwell, que unifican los fenómenos eléctricos y magnéticos. El aislamiento de los polos magnéticos explica la cuantificación de la carga eléctrica, que es siempre multiplo de la carga elemental, del electrón. En los años 70, Gerard 't Hooft y Aleksandr Polyakov rescataron los monopolos como resultado de las teorías de la gran unificación. De existir, los monopolos deben ser partículas  extremadamente masivas. Si su masa entra en el rango de las partículas que puede producir el LHC se podría observar en el experimento MoEDAL.

MoEDAL es un pequeño detector situado junto a uno de los cuatro grandes experimentos del acelerador del CERN, LHCb, diseñado para detectar partículas altamente ionizantes como monopolos. Está formado por dos sistemas para detectar monopolos magnéticos: un dispositivo de barras de aluminio para capturarlos y otro de plástico donde dejan trazas latentes. Ambos sistemas buscan procesos de producción de monopolos distintos. De momento, los únicos resultados del experimento los ha ofrecido el primer sistema, donde la colaboración ha buscado estas partículas hipotéticas como resultado de la aniquilación entre un quark y un antiquark, el llamado proceso Drell-Yan.

Ahora, la colaboración científica de MoEDAL publica en Physical Review Letters sus primeros resultados de la búsqueda de monopolos magnéticos como resultado de la fusión de dos fotones producidos en las colisiones de muy alta energía entre protones en el LHC. “Este proceso ofrece una sección eficaz más grande”, explica Vasiliki Mitsou, investigadora del IFIC en el experimento MoEDAL. La sección eficaz es una medida de la interacción entre partículas, lo que expresa la probabilidad de que se produzca un suceso. Así, este nuevo método permite mejorar la búsqueda de monopolos, doblando la capacidad del experimento de acotar la masa de esta partícula, según Mitsou, quien obtuvo una Beca Leonardo de la Fundación BBVA para desarrollar su actividad en el experimento.

Los resultados publicados excluyen la existencia de monopolos magnéticos hasta un rango de masas entre 1.500 GeV y 3 TeV, en función del espín del monopolo. “Se pueden crear partículas así en el LHC”, sostiene la física del IFIC, cuyo grupo ha sido fundamental en esta publicación: un joven investigador del IFIC, Arka Santra, desarrolló el código que permite la simulación del proceso de producción de monopolos a partir de la fusión de dos fotones. Esta herramienta es pública y se puede utilizar por otros experimentos. En cuanto al futuro de las búsquedas de partículas exóticas en el MoEDAL, para Mitsou las mejoras y extensiones que se acometen, como la instalación del detector de MoEDAL para partículas penetrantes (MAPP) permitirán estudiar partículas neutrales de vida media larga en el futuro. Y el LHC de Alta Luminosidad (HL-LHC) incrementará aún más las posibilidades.

Referencias:

“Magnetic monopole search with the full MoEDAL trapping detector in 13 TeV pp collisions interpreted in photon-fusion and Drell-Yan production”, B. Acharya et al [MoEDAL Collaboration], Phys. Rev. Lett. 123, 021802 (2019)

“Monopole production via photon fusion and Drell-Yan processes: MadGraph implementation and perturbativity via velocity-dependent coupling and magnetic moment as novel features”, S. Baines, N. E. Mavromatos, V. A. Mitsou, J. L. Pinfold, A. Santra, Eur. Phys. J. C 78, 966 (2018)

“Looking for magnetic monopoles at LHC with diphoton events”, L. N. Epele, H. Fanchiotti, C. A. Garcia Canal, V. A. Mitsou, V. Vento, Eur. Phys. J. Plus 127, 60 (2012)