Najsilniejsze pola magnetyczne we wszechświecie pomagają w poszukiwaniu monopoli magnetycznych

Nowe eksperymenty w Wielkim Zderzaczu Hadronów zawężają poszukiwania monopoli magnetycznych – cząstek z jedynie północnym lub południowym biegunem magnetycznym.

Wszystkie znane cząstki elementarne mają zarówno biegun północny, jak i południowy – jak tradycyjny magnes sztabkowy – ale naukowcy mają dobre podstawy teoretyczne, by sądzić, że istnieją monopole. Gdyby zostały odnalezione, mogłyby rzucić nowe światło na elektromagnetyzm i unifikację sił podstawowych.

Te nowe eksperymenty… dały nam znacznie solidniejsze wyobrażenie o tym, dokąd mogą pójść dalsze poszukiwania monopoli. Profesor Artu Rajantie

Teraz nowa klasa eksperymentów w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN, pierwszy planowany fizycy imperialni stworzyli więcej warunków, w których mogą powstawać monopole. Chociaż nie znaleziono jeszcze żadnego, nowe eksperymenty pozwoliły naukowcom udoskonalić prawdopodobne właściwości monopoli, kierując przebiegiem przyszłych eksperymentów.

Wyniki, opracowane przez zespół MoEDAL (Monopol and Exotics Detector at the LHC), w skład którego wchodzą naukowcy z Imperial College London, zostały opublikowane dzisiaj w czasopiśmie Natura.

Współautor Profesor Artu Rajantie Z Departamentu Fizyki w Imperial, którego zespół opracował teorię stojącą za nowymi eksperymentami, powiedział: „Opisywanie, jak zachowywałyby się monopole magnetyczne przy wysokich energiach, jest od dawna otwartym problemem w fizyce teoretycznej. Ponieważ oddziaływałyby bardzo silnie z polem elektromagnetycznym, te same techniki, których używamy dla innych cząstek, nie działają.

„Z tego powodu wnioski, które fizycy byli w stanie wyciągnąć z poprzednich eksperymentów w LHC i gdzie indziej, były ograniczone. Jednak te nowe eksperymenty, wykorzystujące inny mechanizm produkcji, pozwalają nam kategorycznie wykluczyć istnienie pewnych rodzajów monopoli i dały nam znacznie bardziej solidny obraz tego, dokąd mogą pójść dalsze poszukiwania monopoli”.

Zderzanie ciężkich jonów

LHC najczęściej rozbija pojedyncze protony przy ekstremalnie wysokich energiach. Chociaż eksperyment MoEDAL analizuje te kolizje, nie ma dobrego teoretycznego zrozumienia, w jaki sposób w takich zdarzeniach mogą powstawać monopole.

W 2018 roku LHC zderzyło ze sobą inny rodzaj cząstek – ciężkie jony w postaci jąder ołowiu. Cząstki te zawierają setki protonów i neutronów, a ta ciężkość oznacza, że ​​mogą zderzać się tylko przy niższych energiach niż zderzenia pojedynczych protonów.

Jeśli jednak te jądra ołowiu przecinają się lub przechodzą bardzo blisko, interakcja może stworzyć coś spektakularnego: najsilniejsze pola magnetyczne znane we wszechświecie, milion razy silniejsze niż te występujące w gwiazdach neutronowych. Trwają one tylko przez niezwykle krótki czas, ale ich istnienie zapewnia inny mechanizm wytwarzania monopoli magnetycznych.

Teoria opiera się na mechanizmie tworzenia elektrycznej wersji monopoli: elektronów i ich odpowiednika w antymaterii, pozytonów. Zaproponowany w latach 30. XX wieku „mechanizm Schwingera” mówi, że silne pole elektryczne będzie oddziaływać z fluktuacjami kwantowymi w próżni i wytwarzać elektrony i pozytony. Podobnie silne pole magnetyczne powinno wytwarzać monopole północne i południowe.

Jak ciężki jest monopol?

W przeciwieństwie do zderzeń proton-proton, w których cząstki powstają w wyniku pojedynczego gwałtownego zderzenia, w mechanizmie Schwingera powstają one z dużej liczby małych oddziaływań, które naukowcy mogą opisać teoretycznie. Co ważne, badacze ci pozwalają przewidzieć, ile monopoli wytworzy ten mechanizm.

Jednak prognoza zależy od tego, jak ciężkie są monopole. Jeśli są zbyt ciężkie, zderzenia jąder ołowiu w LHC nie byłyby wystarczająco energetyczne, aby je wytworzyć.

Stwierdzono, że tak było w przypadku serii eksperymentów w 2018 r.; nie wytworzono żadnych monopoli. Eksperymenty dowodzą jednak, że jeśli monopole istnieją, to są one cięższe niż określony limit (75 GeV/c²). Pozwala to na tworzenie nowych prognoz dla przyszłych eksperymentów, które rozbijają jądra ołowiu przy wyższych energiach.

Eksperyment pokazuje również, że zderzenia ciężkich jonów, takich jak jądra ołowiu, są dobrą metodą poszukiwania nowych cząstek. Profesor Rajantie powiedział: „Zderzenia proton-proton, będące tak wysokimi energiami, są często uważane za jedyną granicę w odkrywaniu nowej fizyki, a zderzenia ciężkich jonów są przydatne tylko do badania znanych zjawisk przy niższych energiach.

„Nasze poszukiwania monopoli pokazują, że te niskoenergetyczne, ale silne pola magnetyczne mogą być również wykorzystywane do poszukiwania nowej fizyki. Aktualizacje LHC i przyszłe eksperymenty – takie jak proponowany Zderzacz kołowy Przyszłości, który ma być prawie cztery razy dłuższy niż 27-kilometrowy obwód LHC – powinny mieć to na uwadze”.

–

’Pierwsze eksperymentalne poszukiwania wytwarzania monopoli magnetycznych za pomocą mechanizmu SchwingeraB. Acharya et al. jest publikowany w Nature.