Există oare monopoli magnetici? Adică particule cu „sarcina magnetică”, un fel de doar polul sud sau doar polul nord al unui magnet. Într-un articol publicat recent se discută exact acest subiect, al monopolilor magnetici, în încercarea de a-i identifica în contextul razelor cosmice și al experimentelor de la acceleratoarele de particule. Să vedem cu ce rezultate.
Sarcina electrică
Cu toții știm că există sarcini electrice negative și sarcini electrice pozitive; există particule neutre din punct de vedere electric. Atomii, de exemplu, sunt alcătuiți din protoni, care au sarcina electrică pozitivă, și care împreună cu neutronii, neutri din punct de vedere electric, formează nucleele, și electroni, cu sarcina electrică negativă, aflați în jurul nucleelor. Sarcinile electrice de același semn se resping, în timp ce cele de semn opus se atrag. Ce se întâmplă însă cu… sarcina magnetică?
Monopolii magnetici
Există oare o sarcina magnetică, asemănătoare cu cea electrică? Știm că magneții au un pol nord și un pol sud; dacă rupem un magnet obținem magneți mai mici care însă, la rândul lor, au un pol nord și unul sud; nu este posibil să separăm polul nord de polul sud. Existența unei ipotetice particule cu sarcina magnetică ar reprezenta un monopol magnetic (adică un magnet cu un singur pol, nu cu cei doi pe care ii cunoaștem: nord și sud).
A fost avansată ipoteza conform căreia ar putea exista astfel de particule. Chiar Paul Dirac, unul dintre cei mai importanți fizicieni ai secolului trecut, a formulat teorii în cadrul cărora ar putea există monopoli. La ora actuală însă nimeni nu a văzut un monopol magnetic!
Căutarea monopolilor
În acest context într-un articol recent publicat în revista Physics Reviews Letters se analizează datele existente, atât cele obținute în urma studiului razelor cosmice, cât și la acceleratoare de particule.
Ipoteza este aceea că în urma interacțiunii razelor cosmice, adică particule care provin din depărtările universului, în mare parte protoni, ar putea lua naștere monopoli magnetici.
Acești monopoli s-ar forma în urma interacțiunii razelor cosmice cu molecule din atmosfera terestră. Este bine de menționat că există raze cosmice cu energii mult mai mari decât putem noi genera la ora actuală la acceleratoare, inclusiv la Marele Accelerator de la CERN.
Au găsit monopoli?
Vânătoarea de monopoli a pornit de la calcule și simulări pe calculator, care arătau cam cum ar putea arăta procesele care generează monopoli în urma interacțiunii razelor cosmice în atmosfera.
Mai departe s-a studiat tipul de semnale pe care ar trebui să le măsurăm dacă într-adevăr monopolii există. S-ar forma practic un flux constant de monopoli care ar „ploua” pe Pământ și ar fi măsurat de detectoarele noastre.
Fluxul acestor monopoli depinde de eventuala masă a acestora și de modelele folosite.
Cum nu a fost măsurat un semnal clar al monopolilor, s-au putut pune doar limite asupra proprietăților pe care acești monopoli ar putea să le aibă.
Ce rezultate au fost obținute?
Chiar dacă monopolii nu au fost descoperiți, limitele asupra proprietăților acestor monopoli sunt extrem de interesante.
Astfel, au fost studiați monopoli cu masa posibilă mult mai mare decât energia particulelor de la Marele Accelerator de particule de la CERN – circa 10 ori mai mare, adică 100 TeV (TeV reprezintă 1012 electronVolt – unitate de energie folosită în fizica particulelor; în această unitate masă unui proton, de exemplu, este circa 109 electronVolt – circa 1 GeV).
Căutările monopolilor continuă, atât la acceleratoare, cât și prin studiul razele cosmice. Pentru că aceștia ar putea exista, însă ori să aibă masă diferită față de cea luată în calcul în prezent, ori să fie mult mai rari decât s-a sperat, fiind dificil de identificat cu tehnologia / metodele actuale.
Subiectul monopolilor este unul deosebit de interesant pentru fizicieni, care ar putea să ne rezerve însă surprize plăcute în viitor.
Sumarul articolului original:
Magnetic monopoles have a long history of theoretical predictions and experimental searches, carrying direct implications for fundamental concepts such as electric charge quantization.
We analyze in detail for the first time magnetic monopole production from collisions of cosmic rays bombarding the atmosphere.
This source of monopoles is independent of cosmology, has been active throughout Earth’s history, and supplies an irreducible monopole flux for all terrestrial experiments.
Using results for robust atmospheric fixed target experiment flux of monopoles, we systematically establish direct comparisons of previous ambient monopole searches with monopole searches at particle colliders and set leading limits on magnetic monopole production in the ∼5–100 TeV mass range.
