研究人员利用大型强子对撞机(LHC)的束流管的一段来寻找磁单极子，磁单极子是一种假想的具有单一磁极的粒子。

他们的调查涉及分析超高能离子碰撞产生的辐射效应，尽管没有发现磁单极子，但却对其存在施加了严格的约束，从而加深了我们对粒子物理学的理解。

磁单极子研究

来自欧洲核子研究组织(CERN)大型强子对撞机(LHC)的退役束流管段被用于一项新研究，让科学家比以往任何时候都更接近测试磁单极子是否存在的问题。

诺丁汉大学的科学家与国际研究团队合作，揭示了迄今为止对磁单极子存在最严格的限制，从而扩展了我们对这些难以捉摸的粒子的了解。其研究已于 8 月 15 日发表在《物理评论快报》上。

理论基础与研究重点

在粒子物理学中，磁单极子是一种假想的基本粒子，是一个孤立的磁体，只有一个磁极（只有北极而没有南极，或者只有南极而没有北极）。

诺丁汉大学物理与天文学院的多萝西·霍奇金研究员奥利弗·古尔德是该研究的主要理论家，他说：“有没有可能存在只有单个磁极（北极或南极）的粒子？这一由著名物理学家皮埃尔·居里、保罗·狄拉克和约瑟夫·波尔钦斯基力推的有趣的可能性，一直是理论物理学中最迷人的谜团之一。证实它们的存在将对物理学产生变革性的影响，但迄今为止的实验搜索都没有找到。”

实验设置与方法论

该团队将搜索重点放在欧洲核子研究组织CERN的大型强子对撞机（LHC）的一段已退役的束流管上。由大型强子对撞机（LHC）的单极子和奇异探测器（Monopole and Exotics Detector at the LHC，MoEDAL）实验中的物理学家进行的研究，检查了一段铍束流管，该束流管位于紧凑缪子螺线管（Compact Muon Solenoid，CMS）实验的粒子碰撞点。这段束流管承受了数十亿次超高能离子碰撞产生的辐射，碰撞发生地仅有几厘米远。

“束流管与超相对论重离子碰撞点的接近性，为我们以前所未有的高磁荷探测磁单极子提供了独特的机会，”亚拉巴马大学奥斯特罗夫斯基（Ostrovskiy）教授MoEDAL团队的博士生阿迪提亚·乌普雷蒂（Aditya Upreti）在领导实验分析时解释说，“由于磁荷守恒，磁单极子不会衰变，并且预计会被管道材料捕获，这使我们能够用直接对磁荷敏感的装置可靠地探测它们。”

结果和未来方向

研究人员研究了在大型强子对撞机 (LHC) 中重离子碰撞期间产生的磁单极子，这些碰撞产生的磁场甚至比快速旋转的中子星还要强。如此强烈的磁场可能会通过 Schwinger 机制自发地产生磁单极子。

奥利弗补充道：“尽管这是一块被丢弃的旧管道，但我们的预测表明，这可能是地球上最有希望发现磁单极子的地方。”

MoEDAL合作团队使用超导磁力仪扫描了光束管，以寻找被捕获的磁荷的迹象。尽管他们没有发现磁单极子的证据，但他们的结果排除了存在比80 GeV/c²（其中c是光速）更轻的磁单极子的可能性，并为从2到45个基本单位的磁荷提供了世界领先的约束。

奥利弗总结道，研究团队现在计划扩大他们的搜索范围：“我们所用的束流管来自大型强子对撞机的第一轮运行，那是 2013 年之前在低能量下进行的。将研究扩展到更高能量下的最新一轮运行可能会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。”

参考：“通过施温格效应在CMS束流管中搜索磁单极子”，发表于2024年8月15日，《物理评论快报》。DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.071803