Mágneses monopólus – A Nagy Hadronütköztető 200 éves tudományos vitát oldhat meg

A keresett jelenséget a fizika Szent Gráljaként is emlegetik. A kutatók közel járnak a mágneses monopólusok megtalálásához.

A kísérletezők nagy csapatának nem sikerült megtalálniuk a régóta keresett mágneses monopólusokat, vagyis az északi vagy déli mágneses pólusokat partnerek nélkül. De azt is állítják, hogy közelednek, szűkítve az ablakot, ahol megtalálhatják őket, írja az IFLScience.

Mit értünk monopólus alatt?

Már az iskolában megtanultuk, hogy a mágneseknek mindig két ellentétes pólusa van, amelyeket északnak és délnek nevezünk. Ha kettévágunk egy rúdmágnest, új pólusok jelennek meg a törés közelében. Így minden kisebb mágnesnek továbbra is két pólusa lesz.

Ennek ellenére a 19. század óta a tudósok azon töprengenek, hogy lehetséges-e, hogy egyetlen mágneses pólust a megfelelőjétől elszigetelten létezzen. Végtére is, a pozitív és negatív elektromos töltéseknek nincs szükségük az ellenkezőjükre.

A fizika Szent Grálja

A mágneses monopólus megtalálása a fizika Szent Grálja. A mágneses monopólus az elektronhoz hasonló töltött részecske mágneses változata, és az elmúlt 70 évben a fizikusok azt hitték, hogy létezik valahol a világegyetemben, írja a London Centre for Nanothechnology.

Az elméletet Paul Dirac hozta vissza a tudományos diskurzusba, és tette népszerűvé. Szerinte a monopólusok létezése megmagyarázza, miért kvantálják az elektromos töltést. Ha igen, akkor a mágneses töltést is kvantálni kell úgynevezett Dirac-töltésekből, ami egyenlő az elektron töltésének 68,5-szeresével. A teoretikusok azóta is egyre magabiztosabbak az ötlettel kapcsolatban, de a kísérletezőknek nem sikerült bizonyítékot találniuk.

A mágneses monopólusok csínje-bínja

Valójában a monopólusok elmélete annyira fejlett, hogy a fizikusok ma már túlnyomórészt egyetértenek abban, hogy valószínűleg léteznek. Még a CERN-től eltérő körülmények között is láttuk ezek jeleit, de a szubatomi mágneses monopólusok megerősítése továbbra is megfoghatatlan.

A legtöbb mágneses monopólus elmélet megköveteli, hogy ne sértsék meg a szimmetria törvényeit. Következésképpen az univerzumban nem lehet több északi vagy déli pólus – mindkettőnek egyenlő számban kell lennie, de az ismert mágneses pólusokkal ellentétben ezeket nem kell rögzíteni.

A gyakorlatban

A Monopole és az Exotics Detector (MoEDAL) együttműködése 2012 óta használja a Nagy Handronütköztető (LHC) részecskemegsemmisítését a mágneses monopólusok felkutatására.

Többféle út létezik, amelyen keresztül úgy gondolják, hogy monopólusok jöhetnek létre. Egy nemrégiben végzett tanulmányban a MoEDAL tudósai a virtuális fotonokból származó monopólusképződés jeleit keresték. Egy másik ötlet szerint, amely a nem tudósok számára fantáziának tűnik, de elengedhetetlen a fizika modelljeinkhez, a virtuális fotonok hordozzák az elektromágneses erőt két töltéshordozó között, de nem léteznek szabad részecskékként.

A trükkök – elméletben

Virtuális fotonok hozhatók létre többek között a részecskék nagy sebességű összezúzásával. Az elméleti fizikusok két módszert javasoltak mágneses monopólusok létrehozására. Az egyik két virtuális foton fúzióját foglalja magában, a másik, a Drell-Yan folyamatként ismert, egyetlen virtuális fotonból monopólust hozna létre.

Bár azt várhatjuk, hogy a mágneses monopólus megtalálásának legjobb módja a mágneses mező, ez nem feltétlenül így van. Az elméleti monopólusok egyik lényeges jellemzője, hogy nagy töltést hordoznak. Egy ilyen nagy elektromos töltésű objektum (HECO) felfedezése azt jelezné, hogy létezik a fizika a szabványos modellen kívül. Pontosabban, ez egy nagy nyom a rejtőzködő monopólusoknak, bár más egzotikus tárgyak, például mikroszkopikus fekete lyuk maradványok is felelősek lehetnek.

Az eddigi munkák

Az első preprintben a MoEDAL csapatának tagjai alacsonyabb korlátokat szabnak a monopólus tömegének, amely szerintük „a mai napig a legerősebb publikáció”. Ezzel azt állítják, hogy túlszárnyalták a sokkal nagyobb ATLAS-kísérletet, amely az LHC-t ugyanerre a célra használta.

A második preprint egy másik monopóluskeresést ír le. Az elméleti Schwinger-mechanizmus által létrejötteket keresi, amikor nehéz elemek ionjait ütköztetik az LHC első futtatása során. A Schwinger-mechanizmus azt sugallja, hogy a kellően erős elektromos vagy mágneses mezők részecskéket hozhatnak létre a vákuumból. „Ha a monopólusok összetett részecskék, ez és a korábbi Schwinger-monopólus kutatásunk lehet az első alkalom, hogy megfigyeljük őket” – mondta James Pinfold, a MoEDAL szóvivője.

Rengeteg energia

A kutatás azt az elképzelést tesztelte, hogy a futtatás során monopólusok keletkezhettek, és azóta csapdába esve és figyelmen kívül hagyva landoltak az ütköző egy leállított részén. Egyet sem találtak, de a folyamat során a szerzők arra a következtetésre jutottak, hogy sok energiát igényel egy mágneses monopólus elkészítése, és 95 százalékos biztonsággal kijelentették, hogy tömegüknek több mint 80 milliárd elektronvoltnak kell lennie.

Ez sok elméleti fizikust nem lep meg. A mágneses monopólusok kulcsfontosságúak a Grand Unified Theories számos kísérletében, amelyek a kvantummechanikát a gravitációval egyesítik. Ezek általában nagyon nagy tömegeket jeleznek előre, trillió elektronvolt nagyságrendűek, és minimális töltést igényelnek – a Dirac-töltés kétszeresét vagy háromszorosát.

Ez is érdekelhet:

• Gravitációs anomália – ez állhat a Bermuda-háromszög rejtélye mögött?
• Miért nem lehet tökéletes órát építeni?