Фізикам з колаборації MoEDAL не вдалося відшукати магнітні монополі на Великому адронному колайдері у зіткненнях ядер свинцю. Вони мали утворити рекордне за величиною магнітне поле, у якому могли спонтанно народитися пари монополь-антимонополь, які б мав впіймати один з трьох детекторів. Однак попри те, що жодного статистично значущого сигналу зафіксувати не вдалося, ця робота обмежує існування монополів певних зарядів та мас. Результати експерименту опубліковані у Nature.
Dimitri Otis / Photodisc
Що таке монополь?
У будь-якого магніту, як відомо, можна знайти два полюси — північний або південний. І навіть якщо ви зламаєте цей магніт навпіл чи розкришите на атоми, ви не зможете отримати якийсь один такий полюс — навіть у шматочка їх завжди буде два. Для фізиків це означає, що на відміну від електричних зарядів, які можна отримати окремо позитивний і негативний, елементарного магнітного заряду не існує. Але з'являється явна асиметрія між електричними і магнітними явищами.
Власне це і є магнітні монополі — гіпотетичні елементарні частинки, які мають нести один ізольований заряд, північний або південний полюс магніту. Їх ще жодного разу не вдавалося зафіксувати експериментально, однак їх потребують більшість теорій за межами Стандартної моделі та передбачав ще Поль Дірак, який використав монополі на пояснення квантування електричного заряду.
Відповідно до різних теорій, монополі бувають різними. І на відміну від Дірака, який визначав масу цієї частинки як вільний параметр, тобто переклав це питання на експериментаторів, то Теорії великого об'єднання оцінюють масу магнітного монополя як 10¹⁶ гігаелектронвольт, поділений на швидкість світла в квадраті (10¹⁶ГеВ/с², за формулою Айнштайна). Втім, таку величезну частинку могли створити лише величезні енергії, недоступні не те що б на колайдерах, а і можливі лише у перші секунди зі створення Всесвіту. Тому через розширення Всесвіту нам лишається хіба чекати, чи не потраплять вони випадково на якийсь детектор у підземній лабораторії з космічним випромінюванням.
Меншу масу для монополів пропонують, наприклад, теорії струн. Так вони вже можуть бути не більшими за кілька тераелектронвольт, а отже і помітними на доступних фізикам прискорювачах частинок. Власне це і пробуджує у фізиків-експериментаторів інтерес до пошуку таких необхідних теоретикам монополів, чим і зайнялася колаборація вчених MoEDAL (Monopole and Exotics Detector at the LHC) на Великому адронному колайдері.
Як вчені зібралися ловити монополі?
Всі пошуки прямого народження магнітних монополів на прискорювачах досі були зосереджені на зіткненнях елементарних частинок. Наприклад, при зіткненні ферміона з антиферміоном (кварка та антикварка або електрона з позитроном, так званий механізм Дрелла–Яна) або у фотон-фотонних зіткненнях. Однак, як виходить з рівнянь Дірака, сильний зв'язок магнітних монополів з іншими частинками і один з одним, ускладнює теоретичні передбачення та не дає коректно описати процес їхнього утворення.
Тому фізики MoEDAL обрали альтернативний підхід та звернулися до механізму Швінгера. Взагалі цей механізм описує, як сильне електричне поле здатне породжувати електрон-позитронні пари, якщо сягає критичної межі. І якщо магнітні монополі існують, то відповідно з електромагнітним дуалізмом (electromagnetic duality), то пари магнітних монополів та їхніх двійників-античастинок можуть утворитися у достатньо сильному для цього магнітному полі. Цей процес народження легше описати теоретично, ніж процес, пов'язаний із зіткненнями елементарних частинок, тому фізики і взялися до створення надзвичайно потужного магнітного поля.
При нецентральному зіткненні важких іонів, два ядра, що зустрічаються, стикаються за вдвічі більшого за свій ядерний радіус ударного параметра. Так вони здатні утворити надзвичайно сильні магнітні поля — в експерименті MoEDAL зіткнення між іонами свинцю, прискореними ВАК, призвели до появи магнітного поля у 10¹⁶ тесла. Це на чотири порядки більше, ніж найбільше магнітне поле, яке могли побачити астрономи у нейтронних зірках, та, імовірно, найбільше магнітне поле у Всесвіті. І такої сили більш ніж достатньо для передбаченого народження магнітних монополів.
Acharya et al. / Nature, 2022
Чому монополі не з'явилися?
Що впіймати магнітні монополі, вчені використовували два детектори збоку та один попереду області, де відбувалися зіткнення іонів свинцю. По суті це 880-кілограмові алюмінієві блоки, які мали вловити частинки з енергіями від 0,5 до 2,5 мегаелектронвольта, які несуть магнітний заряд. Щоб дізнатися, чи потрапили частинки у детектори, їх затим пропускали крізь надпровідний квантовий інтерферометр (Superconducting Quantum Interference Device, SQUID).
У результаті експерименту вченим не вдалося отримати жодних статистично значущих результатів, які б вказали на магнітні монополі, що потрапили у детектори. Втім, ці дані дали їм можливість з точністю у 95 відсотків обмежити можливість утворення таким чином заряджених одним елементарним магнітним зарядом частинок масами у 75 гігаелектронвольт на швидкість світла у квадраті. Це забезпечує нижню межу маси для магнітних монополів, які можна спробувати пошукати на колайдері та значно розширює попередні обмеження, накладені на масу частинок.
Таким чином, у контексті пошуків магнітних монополів, отримані у результаті MoEDAL дані допоможуть у плануванні нових експериментальних пошуків та розробці теоретичних уявлень, необхідних для пояснення спостережень (чи відсутності їх).
ВАК — не єдина установка, на якій фізикам не вдається знайти потрібні теоріям частинки. Наприклад, нещодавно ми розповідали, як експеримент Фермілабу MicroBooNE за три роки не знайшов жодних слідів стерильних нейтрино. Однак ВАК став першим детектором, на якому вдалося виявити нейтрино.