Великий адронний колайдер може бути близьким до відкриття магнітних монополів

У двох препринтах великої групи експериментаторів повідомляється, що їм не вдалося знайти довгоочікувані магнітні монополі, північні або південні магнітні полюси без партнерів – але вони також стверджують, що наближаються до цього, звужуючи вікно, де вони можуть бути знайдені.

У препринтах, які ще мають пройти експертну оцінку, навіть перевіряється ідея, що ми могли створити магнітні монополюси багато років тому, і не перевіряється обладнання, де вони могли б зберегтися.

Один з перших уроків фізики, який отримує більшість з нас, полягає в тому, що магніти завжди мають два протилежні полюси, які ми називаємо північчю і півднем. Якщо розрізати брусковий магніт навпіл, то біля розлому з’являться нові полюси, так що кожен менший магніт продовжує мати по одному полюсу з кожного боку. Маючи досить крихкий магніт, ви можете перевірити це на собі. А поки ви цим займаєтеся, чому б не перевірити нещодавні твердження про магніти і не поміркувати про надійність джерела.

Ще з 19 століття вчених цікавило, чи може один магнітний полюс (так званий монополюс) існувати ізольовано від свого колеги. Зрештою, позитивний і негативний електричні заряди не потребують присутності своєї протилежності.

Джеймс Клерк Максвелл, один із засновників магнітної теорії, думав, що він назавжди вбив цю ідею, але через десятиліття Поль Дірак повернув її, показавши, що існування монополів може пояснити, чому електричний заряд квантується. Якщо це так, то магнітний заряд також має бути квантованим, складеним з будівельних блоків 2πℏ/e, відомих як заряд Дірака, що дорівнює заряду на електроні в 68,5 разів більше. Відтоді теоретики стають дедалі впевненішими в цій ідеї, але експериментатори не можуть знайти доказів.

Насправді, теорія монополів настільки розвинена, що фізики в переважній більшості погоджуються з тим, що вони, ймовірно, існують. Ми навіть бачили їхні ознаки в обставинах, дуже відмінних від тих, які досліджує ЦЕРН, але підтвердження існування субатомних магнітних монополів залишається невловимим.

Більшість теорій магнітних монополів вимагають, щоб вони не порушували законів симетрії. Отже, у Всесвіті не може бути надлишку північних чи південних полюсів – їх має бути рівна кількість, але, на відміну від відомих магнітних полюсів, вони не повинні бути пов’язані між собою.

Коаліція MoEDAL (Monopole and Exotics Detector) використовує анігіляцію частинок у Великому адронному колайдері (ВАК) для пошуку магнітних монополів з 2012 року.

Існує кілька шляхів, якими, як вважається, можуть бути створені монополі. В одному нещодавньому дослідженні вчені MoEDAL шукали ознаки утворення монополів з віртуальних фотонів. Ще одна ідея, яка звучить як фантастика для не-науковців, але є важливою для наших моделей фізики, полягає в тому, що віртуальні фотони переносять електромагнітну силу між двома носіями заряду, але не існують як вільні частинки.

Віртуальні фотони можна створити, зокрема, шляхом зіткнення частинок на високих швидкостях. Фізики-теоретики запропонували два способи, за допомогою яких вони можуть утворювати магнітні монополі. Один передбачає злиття двох віртуальних фотонів, інший, відомий як процес Дрелла-Яна, дозволяє створити монополь з одного віртуального фотона.

Хоча можна було б очікувати, що найкращий спосіб знайти магнітний монополь – через його магнітне поле, це не обов’язково так. Однією з важливих особливостей теоретичних монополів є те, що вони несуть великий заряд. Відкриття такого об’єкта з високим електричним зарядом (HECO) вказувало б на існування фізики за межами стандартної моделі. Точніше кажучи, це був би великий ключ до таємниці монополів, хоча інші екзотичні об’єкти, такі як мікроскопічні залишки чорних дір, також можуть бути відповідальними за це явище.

“Пошукові можливості MoEDAL як для монополів, так і для HECOs дозволяють співпраці дослідити величезну ділянку теоретичного “простору відкриттів” для цих гіпотетичних частинок”, – сказав представник MoEDAL Джеймс Пінфолд у своїй заяві.

У першому препринті члени команди MoEDAL встановили нижню межу маси, яку може мати монополь, що, за їхніми словами, є “безумовно, найсильнішою з усіх опублікованих на сьогоднішній день”. При цьому вони стверджують, що перевершили набагато масштабніший експеримент ATLAS, який використовував ВАК з тією ж метою.

Другий препринт описує інший пошук монополів, який шукає ті, що були створені теоретичним механізмом Швінгера, коли іони важких елементів були розбиті разом під час першого запуску ВАК. Механізм Швінгера припускає, що досить сильні електричні або магнітні поля можуть створювати частинки з вакууму. “Якщо монополі є складовими частинками, то цей і наш попередній пошук швінгерівських монополів, можливо, були першими в історії шансами спостерігати їх”, – сказав Пінфолд.

Пошуки перевірили ідею про те, що монополі могли бути створені під час пробігу і з тих пір опинилися в пастці і не помічені в виведеній з експлуатації секції колайдера. Жоден з них не був знайдений, але в процесі роботи автори змогли зробити висновок, що для створення магнітного монополя потрібно багато енергії, стверджуючи з 95-відсотковою впевненістю, що вони повинні мати масу понад 80 мільярдів електрон-вольт.

Це не здивує багатьох фізиків-теоретиків. Магнітні монополі є ключовими для низки спроб створення Великих об’єднаних теорій, які прагнуть об’єднати квантову механіку з гравітацією. Вони, як правило, передбачають дуже великі маси, порядку трильйонів електрон-вольт, і вимагають мінімальних зарядів, що вдвічі або втричі перевищують заряд Дірака.