Физикам не удалось обнаружить магнитный монополь на Большом адронном коллайдере

Москва, 18:05, 10 Янв 2018, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

Обычный магнит обладает двумя полюсами – северным и южным. Но экзотические магнитные частицы, которые нарушают это правило, могут оставаться незамеченными, подозревают некоторые физики.

Охота на эти гипотетические частицы, известные как магнитные монополи, которые обладают одиноким северным или южным полюсом, идет полным ходом. Теперь две группы исследователей дополнительно оценили возможные массы и характеристики частиц, используя данные ускорителей частиц и мертвых 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.

«Многие считают, что они должны существовать», — говорит Джеймс Пинфолд, физик частиц из Университета Альберты в Эдмонтоне, Канада.

Если бы был обнаружен хотя бы один магнитный монополь, открытие могло бы «упрочнить» 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 (БАК), расположенном в лаборатории физики частиц ЦЕРН в Женеве, активизировала поиск. В нем могут образовываться магнитные монополи, поскольку протоны накапливаются вместе при рекордно высоких энергиях 13 триллионов электрон-вольт.

К сожалению, последний поиск Пинфолда и соавторов с детектором Monopole and Exotics Deton (MoEDAL) на БАК не обнаружил магнитных монополей. Тем не менее, новое исследование установило некоторые из самых строгих ограничений еще и того, насколько легко гипотетические частицы могут взаимодействовать с веществом.

Все известные магниты имеют как северный, так и южный полюс, как показано на вставном изображении, с линиями, указывающими направление магнитного поля. Гипотетические частицы, называемые магнитными монополями, предусмотренные на более широкой иллюстрации, будут обладать только северным или южным полюсом.

БАК и магнетары

Могут также существовать магнитные монополи и в тех местах, где магнитные поля необычайно сильны и 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.

Если бы магнитные монополи имели относительно малые массы, частицы бы подкрепили силу магнитных полей магнетаров. Этот факт предполагает, что частицы должны быть более массивными, чем около 0,3 миллиарда электрон-вольт — около трети массы протона, — подсчитывают 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, чем 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 БАК могло бы улучшить эту оценку из-за более высоких энергий столкновения БАК.

В то время как другие эксперименты установили более высокие пределы массы монополя, чем новые оценки, эти анализы основывались на сомнительных теоретических предположениях, считает Раджанти.

«В настоящее время это самые точные 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. В этом случае единственными магнитными монополями во Вселенной могут быть остатки Большого Взрыва.