Los Dyones: partículas con carga eléctrica y magnética

Diversas teorías de gran unificación en física de partículas predicen la existencia de dyones, partículas que poseen simultáneamente carga eléctrica y magnética. Ningún experimento en aceleradores había buscado estas partículas, hasta que lo ha hecho MoEDAL.

Un monopolo magnético es una partícula con una carga magnética. El dyon es una partícula que además tiene carga eléctrica. Muchas teorías de gran unificación de la física de partículas, que pretenden conectar las interacciones fundamentales en una sola interacción a altas energías, predicen la existencia de dyones. Pero, ¿existen estas partículas?

La existencia del dyon fue propuesta por primera vez por el ganador del premio Nobel Julian Schwinger en 1969. Lo usó para construir lo que llamó un modelo magnético de la materia. Schwinger derivó la condición de cuantificación de carga considerando la interacción de dos dyones. Sin embargo, esta condición de cuantización no fija, por sí sola, la carga eléctrica del dyon, y por lo tanto no existe una limitación previa sobre su valor. La cuestión de la carga del dyon ha sido estudiada posteriormente siguiendo razonamientos semiclásicos. Se ha concluido que la carga dyon se cuantiza como un múltiplo entero de la carga fundamental, la carga de un electrón, en las teorías que conservan la simetría CP, el producto de la simetría C y la simetría P.1

La cuestión inmediata que surge es cómo detectar estos objetos. Gracias a su carga magnética, los dyones se pueden detectar en principio en cualquier detector de monopolos magnéticos. Sin embargo, se espera que la sensibilidad del experimento sea diferente entre dyones y monopolos, debido a dos factores relacionados con la carga eléctrica. El primer lugar, la interacción con el detector será más “fuerte” en el caso de los dyones, dando lugar a una mayor pérdida de su energía por ionización2. Efectivamente, uno de los métodos de detección de monopolos y dyones es mediante su alto poder ionizante, unas 4.700 veces mayor que el de los protones. En segundo lugar, la trayectoria de la partícula en la presencia de un campo eléctrico y/o magnético será diferente, y esto hay que tenerlo en cuenta en la interpretación de las búsquedas de cargas magnéticas aisladas. Sorprendentemente, nunca se había realizado una búsqueda experimental explícita de esta exótica partícula en un acelerador, hasta ahora.

MoEDAL, un pequeño detector situado junto a uno de los cuatro grandes experimentos del CERN, LHCb, fue diseñado para buscar monopolos magnéticos, propuestos por Paul Dirac en los años treinta, y otras partículas hipotéticas caracterizadas por su alto poder de ionización. El experimento acaba de obtener los resultados de la primera búsqueda de dyones en el Gran Colisionador de Hadrones (el LHC) siendo el primer análisis jamás realizado en cualquier acelerador de partículas.

La colaboración llevó a cabo la búsqueda utilizando el sistema para capturar cargas magnéticas, que consta de unas 2400 barras de aluminio con una masa total de casi 800 kg. Las barras fueron expuestas a colisiones de protón-protón producidas en el LHC a una energía de 13 TeV entre 2015 y 2017. En el caso de que se produjera un monopolo o un dyon, éste perdería energía por ionización y quedaría “atrapado” en el detector de aluminio. Posteriormente, se utilizó un dispositivo superconductor de interferencia cuántica (SQUID) para escanear las barras y buscar la presencia de carga magnética atrapada, que podía pertenecer a los dyones.


Límites a la sección eficaz para la producción Drell-Yan por pares de dyones fermiónicos con carga magnética de tres veces la carga de Dirac y múltiples cargas eléctricas, en colisiones de protones a protones de 13 TeV, en función de su masa. Las secciones eficaces por debajo de las líneas punteadas están excluidas. Las líneas continuas representan cálculos de la sección eficaz a primer orden.

Este procedimiento de escaneo no encontró signos de dyones. Sin embargo, suponiendo que los dyones se producirían en las colisiones como pares que emergen de un fotón, el denominado mecanismo Drell-Yan, el resultado negativo permitió que el equipo de MoEDAL estrechara la región donde buscar los dyones. Los investigadores de MoEDAL descartaron la existencia de dyones con una masa entre 830 y 3180 GeV, dependiendo de varios supuestos como su espín, que posean una carga magnética superior a seis unidades de una carga magnética fundamental (la carga de Dirac) y una carga eléctrica superior a 200 veces la carga del electrón.

Por lo tanto, la búsqueda del dyon continúa. El gran paso dado en este primer análisis por parte de la colaboración MoEDAL sirve para abrir un camino que nos conducirá a nuevas búsquedas, con más datos y una técnica cada vez más depurada. ¿Existirá el dyon? Tal vez pronto lo sepamos…

Bibliografía:

– A Magnetic model of matter, J. S. Schwinger, Science 165 (1969) 757-761. DOI: 10.1126/science.165.3895.757.

– Dyons of Charge e θ/2π, E. Witten, Phys. Lett. 86B (1979) 283-287. DOI: 10.1016/0370-2693(79)90838-4.

– First search for dyons with the full MoEDAL trapping detector in 13 TeV pp collisions, MoEDAL Collaboration, [arXiv:2002.00861].

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Notas al pie:
  1. La simetría C, o simetría de conjugación de carga, afirma que las leyes de la Física serían las mismas si se pudiesen intercambiar las partículas con carga positiva con las de carga negativa. Por otro lado, la simetría P, o simetría de paridad, dice que el universo se comportaría igual que su imagen en un espejo.[]
  2. La ionización es un fenómeno por el cual los átomos pierden algunos de sus electrones al ser arrancados al pasar una partícula, en este caso el dyon.[]

Autor: Vasiliki Mitsou

Vasiliki Mitsou es Científico Titular del CSIC en el IFIC, donde trabaja principalmente en el contexto de los experimentos ATLAS y MoEDAL del LHC. Su área de investigación es la búsqueda de señales de física más allá del modelo estandar como la supersimetría y los monopols magnéticos. Es la Presidenta del Consejo de Colaboración MoEDAL y coordina las actividades del grupo valenciano en dicho experimento.

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