Магнитные монополи до сих пор ускользают от физиков

Магнитные полюса кажутся неотделимыми: разделите магнит пополам, и вы получите два меньших магнита, каждый со своими северными и южными полюсами. Но экзотические магнитные частицы, которые нарушают это правило, могут скрываться незамеченными, подозревают некоторые физики.

Охота идет полным ходом на эти гипотетические частицы, известны как магнитные монополи, которые обладают только северным или южным полюсом — или ненулевым магнитным зарядом. Теперь две группы исследователей дополнительно оценили возможные массы и характеристики частиц, используя данные ускорителей частиц и остатки звезд.

Есть веские основания подозревать, что магнитные монополи существуют, полагают некоторые физики. Существование частиц объясняло бы, почему электрический заряд квантуется — почему он всегда кажется целым кратным заряда электрона вместо непрерывного диапазона значений. В результате популярны такие пока неуловимые магнитные монополи. «Многие считают, что они должны существовать, — говорит Джеймс Пинфолд, физик-частица из Университета Альберты в Эдмонтоне, Канада.

Если бы был обнаружен хотя бы один магнитный монополь, открытие могло бы перевернуть основы физики. Уравнения, регулирующие электричество и магнетизм, являются зеркальными отражениями друг друга, но есть одно существенное различие между этими двумя явлениями. Протоны и электроны несут положительные и отрицательные электрические заряды соответственно, но ни одна известная частица не имеет магнитного заряда. Магнитный монополь был бы первым, и если бы он был обнаружен, электричество и магнетизм, наконец, были бы на равных.

На протяжении десятилетий ученые бесплодно искали магнитные монополи. Недавняя работа на Большом адронном коллайдере, расположенном в лаборатории физики частиц ЦЕРН в Женеве, активизировала этот поиск. Там теоретически могут образовываться магнитные монополи, поскольку протоны сталкиваются вместе при рекордно высоких энергиях в 13 триллионов электрон-вольт.

К сожалению, последний поиск Джеймса Пинфолда и соавторов с детектором Monopole и Exotics Deton на БАК или MoEDAL не обнаружил магнитных монополей, несмотря ни на что. Тем не менее, новое исследование установило некоторые из самых строгих ограничений еще и того, насколько легко гипотетические частицы могут взаимодействовать с веществом, сообщается в отчетах о сотрудничестве MEDAL 28 декабря на arXiv.org.

Могут также существовать магнитные монополи, где магнитные поля необычайно сильны и присутствуют высокие температуры. В этих условиях пары монополей могут возникать спонтанно. Такие экстремальные условия могут быть найдены вокруг особого вида мертвой звезды, известной как магнетар, а также после столкновений тяжелых атомных ядер в ускорителях частиц. Изучая эти два сценария, физики Арту Раджанти и Оливер Гулд, оба из Имперского колледжа Лондона, ставят новые ограничения на массы монополей, сообщают исследователи в «Письмах о физическом обзоре» от 15 декабря.

Если бы магнитные монополи имели относительно малые массы, частицы бы подкрепили силу магнитных полей магнитаров. Этот факт предполагает, что частицы должны быть более массивными, чем около 0,3 миллиарда электрон-вольт — около трети массы протона, — подсчитали исследователи. Эта оценка зависит от другого неизвестного свойства монополей, силы их магнитного заряда. Частицы имеют минимально возможный магнитный заряд. Магнитный заряд, превышающий это базовое значение, соответствовал бы минимальной массе, превышающей 0,3 миллиарда электрон-вольт.

Для монополя с вдвое меньшим зарядом Раджанти и Гулд определили, что магнитные монополи должны быть более массивными, около 10 миллиардов электрон-вольт, исходя из данных о столкновениях ядер свинца в суперпротонном синхротроне, меньшем ускорителе в ЦЕРНе. Изучение подобных столкновений ядер свинца в БАКе могло бы улучшить эту оценку из-за более высоких энергий столкновения.

В то время как другие эксперименты установили более высокие пределы массы монополя, чем новые оценки, эти анализы основывались на сомнительных теоретических предположениях, говорит Раджанти. «В настоящее время это самые реальные границы масс магнитных монополей, которые не полагаются на предположения о том, как создаются частицы, — говорит он.

Результаты «очень интересны», — говорит теоретик-физик Кимбалл Милтон из Университета Оклахомы в Норманне, который не участвовал в исследовании. Конечно, добавляет он, это «не так интересно, как если бы кто-то действительно нашел магнитный монополь».

Даже если монополи существуют, частицы могут быть настолько тяжелыми, что они не могут быть получены ускорителями или космическими процессами. Единственными магнитными монополями во Вселенной могут быть остатки Большого Взрыва. Будущее воплощение MoEDAL, расположенного на вершине горы, а не в внутри ускорителя, могло искать такие магнитные монополи, которые сбрасываются на Землю из космоса, говорит Пинфолд.