Физики близки к обнаружению магнитного монополя на БАК: почему эти частицы так важны

Фото: CERN

Физики, приводившие эксперименты на Большом адронном коллайдере (БАК) представили результаты своих поисков гипотетической элементарной частицы магнитный монополь, которая обладает лишь одним полюсом магнитного заряда. Пока им не удалось обнаружить эту частицу, но авторы утверждают, что они знают, как ее обнаружить и стали ближе к этому. Если физикам удастся обнаружить магнитный монополь, то это подтвердит теорию, возникшую в 1931 году и даст возможность объединить квантовую механику с гравитацией. Исследование опубликовано на сервере препринтов arXiv, пишет IFLScience.

Известно у магнитов имеется два полюса. Даже если разделить магнит, то он все равно будет иметь те же два полюса. Все известные элементарные частицы являются магнитными диполями. Еще в конце 19 века физики впервые задумались о том, может ли существовать один магнитный полюс отдельно от другого. Ведь положительным и отрицательным электрическим зарядам не нужны их противоположные аналоги.

В 1931 году британский физик Поль Дирак выдвинул теорию о существовании магнитного монополя, то есть гипотетической элементарной частицы, которая может объяснить, почему электрический заряд квантуется. В таком случае магнитный заряд также должен квантоваться и состоит он из зарядов Дирака. Физики пытаются обнаружить магнитные монополи, но пока это им не удалось. Но большинство физиков согласны с тем, что эти частицы, вероятно, существуют.

Большинство теорий магнитных монополей требуют, чтобы они не нарушали законы симметрии. То есть во Вселенной не может быть избытка тех или иных магнитных полюсов, их должно быть равное количество, но в отличие от известных магнитных полюсов их не нужно соединять.

Ученые использовали детектор MoEDAL для обнаружения магнитных монополей с помощью сталкивания частиц на БАК. В одном из недавних экспериментов ученые искали признаки образования монополей из виртуальных фотонов. Считается, что виртуальные фотоны переносят электромагнитную силу между двумя носителями заряда, но не существуют как свободные частицы. Виртуальные фотоны можно создать во время столкновения частиц на высочайшей скорости.

Физики предложили два способа создания магнитных монополей. Один из них предполагает слияние двух виртуальных фотонов, другой, известный как процесс Дрелла-Яна, позволяет создать монополь из одного виртуального фотона.

Одной из существенных особенностей монополей является то, что они несут большой заряд. Открытие такого объекта с большим электрическим зарядом укажет на существование физики, которая выходит за рамки Стандартной модели физики элементарных частиц. Это могло бы стать важным ключом к обнаружению скрытых монополей, хотя ответственность за это могут также нести и другие экзотические частицы.

В то же время авторам исследования удалось установить более низкие пределы массы для магнитных монополей во время экспериментов. Также ученые описали еще один способ поиска магнитных монополей, когда происходило столкновение ионов тяжелых элементов. Предполагается, что достаточно сильные электрические или магнитные поля могут создавать частицы из вакуума. Если магнитные монополи являются составными частицами, то их можно обнаружить таким образом. Авторы пришли к выводу, что для создания магнитного монополя требуется много энергии и эти частицы должны иметь массу более 80 миллиардов электронвольт. Авторы считают, что магнитные монополи могут скрываться от обнаружение и все еще есть возможность их обнаружить во время будущих столкновений частиц.

Магнитные монополи являются ключом к созданию Теорий Великого объединения, которые стремятся объединить квантовую механику с гравитацией. Они имеют тенденцию предсказывать очень большие массы, порядка триллионов электронвольт, и требуют минимальных зарядов, в два или три раза превышающих заряд Дирака.

Ирина Скиба / Skibair
Журналист ATinform