Долгая загадка единственного магнитного монополя Вселенной

Итэн Зигель, астрофизик, колумнист Форбс

перевод статьи с любезного разрешения автора.

Электромагнитные поля, которые могут создаваться электрическими зарядами - в состоянии покоя или движения, так же, как могли бы создаваться и магнитными зарядами, если бы таковые существовали.

WIKIMEDIA COMMONS USER MASCHEN

Представьте, что вы -  ученый, который хочет выйти за грань, разработав эксперимент, в котором, как считают другие, ничего не получится. Вы занимаетесь побочной областью науки, ищете следы скорее всего несуществующей, хотя и не запрещенной теорией, частицы, которую никто никогда не видел. Некоторые ученые размышляли десятилетиями, что потенциально такая частица могла бы существовать, но все попытки обнаружить ее - как прямыми, так и косвенными методами, потерпели неудачу.

В один прекрасный уик-енд вы устанавливаете оборудование для длительного эксперимента и решаете не появляться в лаборатории до понедельника. Когда же вы приходите на работу, вы видите, что произошло невозможное - ваш детектор зарегистрировал сигнал, который никто никогда не видел. Впервые (и единственный раз!) вы обнаруживаете доказательство существования совершенно новой частицы. Это не сценарий фильма - такое случилось в реальности, в день Святого Валентина в 1982 году.

Линии магнитного поля прямоугольного магнита - магнитный диполь, в котором северный и южный полюс вместе. Эти постоянные магниты остаются магнитами, даже если убрать все внешние магнитные поля.
NEWTON HENRY BLACK, HARVEY N. DAVIS (1913) PRACTICAL PHYSICS

В электромагнетизме есть два типа частиц - позитивный и негативный. Эти фундаментальные заряды, электрические по своей природе, и не обладают внутренним магнитным зарядом. Конечно, у вас есть северный и южный полюса магнита, но никогда один без другого. Факт в том, что электромагнетизм - не симметричная теория, существуют только электрические, а не магнитные заряды, и это фундаментальная суть физических законов природы.

Единственный способ создать магнитные поля - заставить двигаться электрический заряд, то есть создать электрический ток. Этот ток можно создавать на атомном или молекулярном уровне, где электроны обращаются вокруг значительно больших, макроскопических структур. А известные нам постоянные магниты не удается разделить на отдельные полюса, они всегда существуют вместе.

В специальных лабораториях можно создавать магнитные струны, у которых на концах есть северный и южный полюса, разделенные довольно большим расстоянием. Если один полюс может существовать изолированно от другого, его можно представить как квазичастицу - аналог магнитного монополя.

D. J. P. MORRIS ET AL. (2009), SCIENCE VOL. 326, 5951, PP. 411-414

В природе наличие двух полюсов - не обсуждаемое свойство магнетизма. Магниты могут существовать только в форме магнитных диполей, их полюса не встречаются по отдельности в виде магнитных монополей. Если же нам нужно создать их, есть всего два пути (причем, для первого нужно мошенничество)

1). Можно создать квазичастцы, которые напоминают магнитные монополи. В некоторых приложениях физики твердого тела можно делать магнитные струны, например, на решетке, где длинные и тонкие магниты позволяют развести южный и северный полюса на большое расстояние. В таком случае может показаться, что у вас всего один полюс. Но другой по-прежнему здесь, просто он далеко и изолирован от полюса, измерениями которого вы сейчас заняты.

Можно написать сотни уравнений наподобие уравнений Максвелла, которые бы описывали Вселенную, сотнями разных способов. Но только сравнение теории с физическими наблюдениями даст заключение об их правильности. Поэтому правая колонка с уравнениями Максвелла для магнитных монополией не соответствует действительности, а левая, без них - соответствует.

ED MURDOCK

2) Мы могли бы модифицировать электромагнетизм, чтобы включить туда монополи. Это в буквальном смысле теоретический обман: изменение известных нам законов физики, чтобы обосновать существование нового типа материи. Модификация довольно проста: вместо одного типа заряда - электрического - допускаем существование нового типа - магнитного. Если его добавить в теорию, весь электромагнетизм становится симметричным.

• Электрические заряды существуют в положительной и отрицательной версии, магнитные - в виде северной и южной.
• Движущиеся электрические заряды создают магнитные поля, движущиеся магнитные - электрические.
• Изменение магнитных полей заставляет двигаться электрические заряды, а изменение электрических - магнитные.

Сначала этим занимался Дирак в 1930х, но всерьез тогда никто его не воспринимал вследствие отсутствия каких-либо физических доказательств.

Идея унификации говорит о том, что по крайней мере три фундаментальные силы Стандартной Модели, а, возможно, еще и гравитация при более высоких энергиях, могут быть объединены в одну. Эта идея была настолько мощной, что привела к многочисленным исследованиям, но пока так и остается предположением. Тем не менее, многие физики убеждены в том, что это важный подход в понимании природы, что привело к некоторым интересным обобщениям, которые можно проверить на практике.

© ABCC AUSTRALIA 2015 WWW.NEW-PHYSICS.COM

Но в 1970х возник интерес к теориям Вселенной, которая более симметрична, чем мы сейчас наблюдаем. Стали модными теории великой унификации - такие, как электрослабое взаимодействие, в которых предполагалось, что при более высоких энергиях могут появляться и дополнительные типы унификации.

Если силы и взаимодействия были универсальными в прошлом, они могли бы содействовать развитию новой физики, за пределами той, которая называется сейчас Стандартной Моделью. Развал симметрии во Вселенной низких энергий, которую мы сейчас наблюдаем, может содействовать появлению новых областей знаний и открытию новых, неизвестных доселе массивных частиц. Во многих реинкарнациях магнитных монополей (например, в теории многообразия Хофта-Полякова) есть такие прогнозы.

Концепция изолированного магнитного монополя, излучающего магнитное поле в том же виде, как изолированный электрический заряд излучает электрическое.
BPS STATES IN OMEGA BACKGROUND AND INTEGRABILITY — BULYCHEVA, KSENIYA ET AL. JHEP 1210 (2012) 116

Если у вас есть интересные прогнозы теории, можно попробовать найти способ подтвердить их экспериментально. Если Вселенная полна магнитных монополей, должна быть вероятность их обнаружения, например в петле из провода. Вводя магнит в проводящую катушку, можно зарегистрировать сигнал - положительный в случае одного полюса и отрицательный в случае другого.

Если магнитные монополи реальны, то сигнал этот только одного рода - положительный или отрицательный, но не равный нулю. В 70х некоторые исследователи разрабатывали подобные эксперименты, самым известным из которых был эксперимент физика Бласа Кабреры.

Хотя исходные эксперименты по поиску магнитных монополей были примитивны в сравнении с такими детекторами, как iceCube или LHC MoEDAL, которые также были разработаны для исследования таких экзотических частиц, как монополи, многие из их конструкторских элементов, остались те же.

CERN / MOEDAL COLLABORATION

Кабрера разработал свой эксперимент для низких, криогенных температур, и не одной, а 8 петель провода, объединенных в катушку, которая была оптимизирована для измерения магнитного потока, так, что можно было детектировать 8 магнетонов - гипотетических частиц квантового магнетизма.

С другой стороны, если через нее пронести дипольный магнит, получался сигнал +8, после которого затем следовал сигнал -8 (или наоборот, -8, а потом +8), так, что можно было разобрать, это монополь или диполь. Если сигнал был другим, не кратным 8 магнетонам, можно было уверенно утверждать, что это не магнитные монополи.

До 14 февраля 1982 года на детекторе Кабреры регистрировались события в два и менее магнетонов. Отдельное событие в 8 магнетонов было беспрецендентным, и соответствовало магнитному монополю, предсказанному Дираком.

CABRERA B. (1982). FIRST RESULTS FROM A SUPERCONDUCTIVE DETECTOR FOR MOVING MAGNETIC MONOPOLES, PHYSICAL REVIEW LETTERS, 48 (20) 1378–1381

Итак, он построил установку и стал ждать. Дивайс не был совершенным, и случайным образом принимал фальшивые сигналы  +1 или -1 магнетон. Изредка целых две петли посылали сигнал одновременно, давая фальшивые сигналы +2 или -2 магнетона. Помните, что нам нужен сигнал в 8 (и только в 8), чтобы это был магнитный монополь?

Аппарат никогда не показывал даже 3, не говоря о больших уровнях.

Эксперимент продолжался несколько месяцев без особого успеха, и постепенно пришло к тому, что его показания стали снимать несколько раз в день. В феврале 1982 года День Святого Валентина был в воскресенье, и Кабрера не пришел в лабораторию. Когда он наутро добрался до офиса, то к своему удивлению обнаружил, что на компьютере находится записанный сигнал точно в 8 магнетонов точно в 14:00 14 февраля 1982 года.

В 1982 году эксперимент под руководством Бласа Кабреры, с восемью петлями провода, обнаружил изменение магнитного потока в 8 магнетонов, показатель магнитного монополя. К сожалению, в тот момент в лаборатории никого не было, и никто не смог воспроизвести этот результат или найти второй монополь.

CABRERA B. (1982). FIRST RESULTS FROM A SUPERCONDUCTIVE DETECTOR FOR MOVING MAGNETIC MONOPOLES, PHYSICAL REVIEW LETTERS, 48 (20) 1378–1381

Открытие потрясло сообщество, вызвав огромную волну интереса. Было построено огромное количество разнообразных устройств, с большей площадью и с большим количеством петель, к исследованию присоединились новые группы. Но несмотря на большое количество ресурсов, второй монополь так никогда и не нашли. Стивен Вайнберг, прославленный нобелевский лауреат, разработчик Стандартной Модели, написал для Кабреры на следующий День Святого Валентина такое стихотворение:

Розы красны, 

фиалки сини,

Время монополя

номер два!

Но второй монополь так никогда и не появился. 37 лет спустя первого (и единственного) открытия, поиск магнитных монополей был, в основном, прекращен, оставшись только на эксперименте IceCube в Антарктике, с наиболее строгими лимитами.

Экспериментальные ограничения магнитных монополей. Самая нижняя линия представляет собой самое большое, от эксперимента IceCube. Второй магнитный монополь не был найден за все последующие 37 лет поисков.

KATZ, U.F. ET AL. PROG.PART.NUCL.PHYS. 67 (2012) 651–704

Возможно, мы никогда не узнаем, что же было тогда в детекторе на День Святого Валентина 1982 года. Был ли это действительно магнитный монополь, который попал туда по счастливой случайности? Или, может, это был сбой оборудования? Необычный тип космических лучей? Или, может быть, даже розыгрыш какого-то студента, конкурента или саботажника-профи?

В экспериментальной науке самое важное - возможность воспроизвести результаты, а второй монополь так никогда и не нашли. Такая прекрасная симметричная Вселенная, какой она могла быть, просто не соответствует той Вселенной, которую мы сейчас наблюдаем. Никто не знает, что же случилось, чтобы дурачить нас, представляющих, что мы открыли магнитный монополь, но без повторяющихся подтверждений мы не можем заключить, что это было в реальности. Пока можно с полной уверенностью утверждать, что магнитные монополи не существуют.