Физика всегда была наполнена загадками и парадоксами, побуждающими ученых исследовать самые глубокие тайны Вселенной. Одной из таких давних загадок являются магнитные монополи – одиночные магнитные полюса, существующие независимо друг от друга.
Их существование, долгое время воспринимаемое как чистая теория, может в скором времени получить экспериментальное подтверждение благодаря новым данным, полученным на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе.
Содержание
Великое противоречие
Одним из первых уроков физики, который мы получаем в школе, является тот факт, что магниты всегда имеют две противоположные стороны – северный и южный полюса. Разрезая магнит пополам, мы получаем две новые пары полюсов, каждая из которых сохраняет свою целостность. Это явление, которое легко продемонстрировать на практике, было известно человечеству на протяжении веков.
Однако с XIX века ученые задавались вопросом: может ли существовать изолированный магнитный полюс, свободный от своей противоположности? Ведь положительные и отрицательные электрические заряды могут существовать независимо друг от друга. Эта идея, казавшаяся абсурдной в то время, получила новый импульс благодаря работам Джеймса Клерка Максвелла и Поля Дирака.
Максвелл, один из основателей современной теории электромагнетизма, первоначально отвергал возможность существования магнитных монополей. Однако позже Дирак показал, что их существование может объяснить, почему электрический заряд квантован – имеет дискретные, неделимые значения. Если это так, то и магнитный заряд должен быть квантован, состоять из элементарных “кирпичиков” с зарядом, равным 68,5 заряда электрона.
С тех пор теоретики все больше укреплялись в убеждении, что магнитные монополи существуют, но экспериментаторы так и не смогли их обнаружить. Тем не менее, теория монополей настолько развита, что большинство физиков сегодня уверены в их существовании.
На пути к открытию
Поиски магнитных монополей ведутся на Большом адронном коллайдере с 2012 года коллаборацией MoEDAL (Monopole and Exotics Detector at the LHC). Ученые исследуют различные пути, которыми монополи могут образовываться при столкновении частиц на ускорителе.
В одном из недавних исследований команда MoEDAL искала следы образования монополей из виртуальных фотонов. Виртуальные фотоны – это своего рода “призраки” электромагнитного взаимодействия, переносящие силу между заряженными частицами, но не существующие как свободные частицы. Согласно теории, слияние двух виртуальных фотонов или так называемый процесс Дрелла-Яна могут порождать магнитные монополи.
Однако обнаружить монополь по его магнитному полю не так-то просто. Одна из ключевых особенностей теоретических монополей заключается в том, что они должны обладать огромным электрическим зарядом. Поэтому команда MoEDAL ищет не столько магнитные аномалии, сколько частицы с чрезвычайно высоким электрическим зарядом (HECO), которые могли бы указывать на существование монополей или других экзотических объектов, таких как микроскопические черные дыры.
В первой препринт-статье члены коллаборации MoEDAL установили нижние пределы массы, которую может иметь магнитный монополь. Эти ограничения, по словам ученых, “являются самыми строгими из когда-либо опубликованных” и даже превосходят результаты, полученные более крупной коллаборацией ATLAS, работающей на БАК.
Поиски
Во второй препринт-работе описывается поиск монополей, которые могли бы образовываться при столкновении тяжелых ионов на первом этапе работы БАК в соответствии с так называемым механизмом Швингера. Согласно этой теории, достаточно сильные электрические или магнитные поля могут создавать частицы прямо из вакуума. “Если монополи являются составными частицами, этот и наши предыдущие поиски монополей по механизму Швингера могли быть первой в истории попыткой их наблюдения”, – сказал представитель коллаборации MoEDAL Джеймс Пинфолд.
Ученые даже проверили идею о том, что монополи могли образоваться во время работы БАК и остаться незамеченными в выведенном из эксплуатации секторе коллайдера. Хотя монополей обнаружено не было, авторы исследования смогли сделать вывод, что для их создания требуется колоссальная энергия – с 95% уверенностью их масса должна превышать 80 миллиардов электронвольт.
Этот результат вряд ли удивит теоретиков. Многие Великие объединенные теории, стремящиеся объединить квантовую механику и гравитацию, предсказывают, что масса магнитных монополей должна быть огромной – порядка триллионов электронвольт, а их заряд в два-три раза превышать заряд Дирака.
Оба препринта доступны на arXiv.org, здесь и здесь.
Читайте также: Путешествия инопланетян через скрытые измерения: гипотеза гарвардского профессора
