Но что, если существуют единый северный и южный полюса, как положительные и отрицательные электрические заряды? Эти гипотетические звери, известные как «магнитные монополи», являются важным предсказанием в нескольких теориях.Подобно электрону, магнитный монополь был бы фундаментальной частицей.
Никто еще не видел их, но многие — а может быть, даже большинство — физиков сказали бы, что монополи, вероятно, существуют.«Электрическая и магнитная силы — это точно такая же сила», — говорит Венди Тейлор из Йоркского университета Канады. «Все было бы полностью симметрично, если бы существовал магнитный монополь.
Красота симметрии дает сильную мотивацию ожидать, что эта частица существует».Дирак в будущееОбъединив работы многих других, физик девятнадцатого века Джеймс Клерк Максвелл показал, что электричество и магнетизм — это два аспекта одной вещи: электромагнитного взаимодействия.Но в уравнениях Максвелла электрические и магнитные силы не были одинаковыми.
Электрическая сила имела отдельные положительные и отрицательные заряды. Магнитная сила — нет.
Без однополюсных — монополей — теория Максвелла выглядела асимметричной, что его беспокоило. Максвелл много думал и писал о проблеме недостающего магнитного заряда, но не включил ее в окончательную версию своих уравнений.Пионер квантовой теории Поль Дирак поднял мантию монополя в начале 20 века. Ко времени Дирака физики открыли электроны и определили, что они неделимые частицы, несущие фундаментальную единицу электрического заряда.
Дирак рассчитал поведение электрона в магнитном поле монополя. Он использовал правила квантовой физики, согласно которым электрон или любая частица также ведет себя как волна. Для электрона, сидящего рядом с другой частицей, включая монополь, эти правила гласят, что волна электрона должна пройти один или несколько полных циклов, охватывая другую частицу.
Другими словами, волна должна иметь как минимум один гребень и одну впадину: никаких полувершин или четверть впадин.Для электрона в присутствии протона это квантовое волновое правило объясняет цвета света, излучаемого и поглощаемого атомом водорода, который состоит из одного электрона и одного протона. Но Дирак обнаружил, что электрон может иметь правильное волновое поведение, только если произведение монопольного магнитного заряда и основного электрического заряда, переносимого электроном, было целым числом. Это означает, что монополи, как и электроны, несут основной неделимый заряд.
Любая другая частица, несущая основной электрический заряд — протоны, позитроны, мюоны и т. Д. — будет следовать тому же правилу.Интересно, что логика тоже работает в обратном направлении.
Результат Дирака говорит, что если существует единственный тип монополя, даже если этот тип очень редок, он объясняет очень важное свойство материи: почему электрически заряженные частицы несут кратный основной электрический заряд. (Кварки несут часть — одну треть или две трети — фундаментального заряда, но они всегда объединяются, чтобы получить целые числа, кратные одному и тому же заряду.) И если существует более одного типа монополя, он должен нести целое число, кратное фундаментальному магнитному заряду.Магнитный единорогОткрытие Дирака было действительно аргументом правдоподобия: если бы монополи существовали, они бы многое объяснили, но в противном случае ничего бы не рухнуло.
Со времен Дирака многие теории предсказывали свойства магнитных монополей. Теории великого объединения предсказывают, что монополи будут более чем в 10 квадриллионов раз массивнее протонов.
Для производства таких частиц потребуется больше энергии, чем могут достичь земные ускорители, «но эта энергия определенно была доступна в начале существования Вселенной», — говорит Лаура Патризии из Итальянского национального института ядерной физики.Детекторы космических лучей по всему миру ищут признаки этих монополей, которые все еще существуют сегодня, взаимодействуя с молекулами в воздухе.
Эксперимент MACRO в Гран-Сассо в Италии также искал изначальные монополи и обеспечил наилучшие ограничения, которые у нас есть в настоящее время.К счастью для таких ученых, как Патризии и Тейлор, теории великого объединения — не единственные, которые предсказывают монополи. Другие теории предсказывают магнитные монополи меньшей массы, которые можно было бы создать на Большом адронном коллайдере, и, конечно же, оригинальная модель Дирака вообще не налагала никаких ограничений массы на монополи. Это означает, что физики должны быть открыты для открытия частиц, которые не являются частью какой-либо существующей теории.
Оба они ищут монополи, созданные на Большом адронном коллайдере, Patrizii с помощью детектора MoEDAL и Тейлор с помощью ATLAS.«Лично я думаю, что есть много причин полагать, что монополи существуют, и нам просто нужно продолжать поиски», — говорит Тейлор.
«Магнитные монополи, наверное, моя любимая частица. Если бы мы открыли магнитный монополь, [открытие было бы] того же масштаба, что и частица Хиггса».