Половинка від магніту

Половинка від магніту

Владислав Кобичев, Сергій Попов
"Популярна механіка" №2, 2015

Стандартна модель (СМ) елементарних частинок описує 61 частку (останньої відкритої став бозон Хіггса). Однак теоретики вже давно і активно працюють над різноманітними розширеннями СМ, ​​як правило, приводять до передбачення нових частинок, які експериментатори намагаються виявити. Іноді ці пошуки тривають десятиліттями, як це сталося з магнітним монополія.

Колись електричні і магнітні явища вважали абсолютно різними і не пов'язували один з одним. Справді, що спільного у іскри, проскакує між вашою рукою і носом кішки, і поведінкою стрілки компаса? Однак з часом почали накопичуватися дані про те, що електричні та магнітні явища "ходять парою". Поступово прийшло розуміння, що це дві сторони однієї медалі. В теорії електромагнетизму, створеної Джеймсом Максвеллом в середині XIX століття, електрику і магнетизм з'єднувалися в одній групі елегантних рівнянь.

Проте є і цілком очевидна різниця. Ми знаємо, що існують електричні заряди двох знаків – їх можна легко відокремити один від одного.А ось магнітних зарядів нікому виявити поки не вдалося: якщо ми розпиляємо магніт навпіл, то отримаємо не два полюси, а два повноцінних магніту. Поле магніту створюється молекулярними струмами, тобто пов'язане з рухом електричних зарядів. Тому полюса магніту можна розділити – вони являють собою не самостійні сутності, а лише два кінця так званого магнітного диполя (буквально – двухполюсника). Існують і електричні диполі – така, наприклад, молекула води, оскільки електронна хмара молекули зміщене від її центру. Хоча в цілому вона нейтральна, іонізацією можна розділити її на електрон і позитивно заряджений іон.

Окремий північний або південний магнітний полюс і був би магнітним зарядом (або їх скупченням), але розділити їх нікому поки не вдалося. Відомі магнітні поля (не тільки у постійних магнітів, але, наприклад, у Землі і Сонця, у інших планет і зірок) породжуються не магнітними зарядами, а електричними струмами. Але якщо магнітних зарядів немає, то немає і повної симетрії між електрикою і магнетизмом?

неможлива частка

Перші ідеї про існування магнітних зарядів з'явилися досить давно.Несиметрія рівнянь Максвелла щодо магнітних і електричних явищ цілком очевидна, причому симетрію можна легко відновити, увівши в додаток до спостережуваних електричні розряди і струмів гіпотетичні магнітні заряди і магнітні струми. Вперше про таку можливість згадав в одній зі своїх заміток в 1894 році П'єр Кюрі, але, оскільки такі заряди і струми ніхто й ніколи не чув, цим справа і обмежилося.

Для виходу гіпотези на новий рівень знадобилося створення квантової механіки. У 1931 році Поль Дірак, досліджуючи симетрію між електрикою і магнетизмом, показав, що введення магнітних зарядів дозволяє елегантно вирішити давню загадку природи – квантування електричного заряду. Виявилося, що якщо у Всесвіті існує хоча б один магнітний заряд, всі електричні заряди повинні бути кратними елементарного електричного заряду (магнітні заряди при цьому теж зобов'язані квантованим). Пізніше, вже в 1974 році, Герард 'т Хоофт і Олександр Поляков показали, що і в більш досконалих теоріях Великого об'єднання, в яких різні взаємодії описуються в рамках єдиного підходу,також повинні існувати магнітні монополі, що виникають як топологічні дефекти хіггсова поля. І їх почали активно шукати.

Під покровом таємниці

Про монополії відомо небагато. Точніше, різні теорії роблять дуже різні передбачення, і навіть в рамках одного підходу властивості монополів можуть сильно відрізнятися. В теоріях Великого об'єднання виникають дуже масивні монополії – в 1016 раз масивніше протона, тобто масою приблизно з амебу. Створення таких частинок вимагає гігантських енергій, і вони могли з'являтися тільки в перші миті життя нашого Всесвіту. Зате потім вони могли зберегтися до наших днів, і ми можемо сподіватися зареєструвати такого прибульця з космосу. Інші моделі передбачають, що монополі можуть бути всього лише раз в сто важче протона. Тоді є надія отримати їх в експериментах на прискорювачах.

Класичний монополь Дірака не має електричного заряду (як, скажімо, електрон не має магнітного). Однак в деяких моделях монополії на додачу до магнітного мають ще й електричний заряд. Такі частинки, Діон, придумав американський фізик-теоретик Джуліан Швінгер. Це екзотика, але їх теж шукають.А може, у звичайних частинок є магнітний заряд, але дуже маленький? Це припущення теж перевірялося, і, наприклад, у електрона не виявлено ніяких слідів магнітного заряду з точністю 24 знака після коми.

Електромагнітна індукція і монополі

За сто років до передбачення монополя Дираком інший учений, Майкл Фарадей, виявив явище електромагнітної індукції: мінливий магнітне поле створює в колі електричний струм. Це явище і лежить в основі цікавого способу пошуку монополів. Коли крізь надпровідний кільце пролітає монополь, що несе Діраковскій магнітний заряд, струм в кільці змінюється так, щоб магнітний потік через кільце змінився рівно на два кванта магнітного потоку (ця величина теж квантуется), причому ні швидкість, ні маса частинки значення не мають. Саме так протягом довгого часу наукові групи шукали монополії. У першому ж з таких експериментів, посиленним дані протягом п'яти місяців, стався стрибок струму, дуже схожий на шукане подія прольоту монополя крізь котушку. Цей випадок, який отримав назву "подія Кабрери" (за прізвищем помітив його експериментатора), стався о другій годині днів 14 лютого 1982 року. Він так і не був пояснений.Пізніші і значно більш чутливі експерименти нічого подібного не виявили, якщо не брати до уваги ще одного випадку в Лондоні в 1985 році. В експериментальній фізиці одиничне спостереження не дає права оголосити про відкриття. Лише багаторазові підтвердження ефекту, бажано в різних лабораторіях, дозволили б говорити про доказательном виявленні шуканої частки. Зараз вважається, що обидва загадкових події були викликані якимись неврахованими зовнішніми впливами на детектор.

GUT-монополі

GUT-монополь – це релікт, в оболонках якого, як в шарах відкладень, "законсервовані" етапи формування дуже ранньому Всесвіті.

Монополи, що передбачаються моделями Великого об'єднання (так звані GUT-монополі, від Great Unification Theory), мають "цибулинних" структуру: в самих внутрішніх частинах панує той самий об'єднане взаємодія, яке зовні, в звичному нам світі, розщеплюється на електромагнітну, слабку і сильну взаємодії, дуже несхожі один на одного. Об'єднане взаємодія має цікавим властивістю: воно не зберігає окремо ні баріонна, ні лептонний заряд – ті зазвичай зберігаються величини, які відповідальні за стабільність протона і електрона, а значить, і всього оточуючого нас речовини.Розпад протона ніколи ще не спостерігалося експериментально, незважаючи на інтенсивні пошуки. Однак крихітна серцевина GUT-монополя смертоносна для протонів – вона, хоча сама по розмірам в стільки ж разів менше протона, у скільки протон менше дині, здатна змусити його миттєво розпастися на позитрон і пі-мезон, причому сам монополь від цього ніяк не страждає і може тут же зайнятися наступною "жертвою". Це передбачене, але, як і сам GUT-монополь, поки ніким не спостерігалося явище називають механізмом Каллана-Рубакова, або катализом протонного розпаду, по аналогії з хімічним катализом, коли речовина-каталізатор ініціює реакцію, але сама не витрачається.

розпад протона

Протон, якому нещаслива доля приготувала зустріч з GUT-монополія, залишає в навколишньому середовищі приблизно стільки ж енергії, скільки п'ять поділок ядер урану. Уявімо, що GUT-монополь потрапляє в надра астрономічного об'єкта – нейтронної зірки, коричневого карлика, планети-гіганта – і приймається знищувати, як тхір в курнику, впали йому на шляху протони (і з рівним успіхом нейтрони). Виділилася енергія буде нагрівати навколишнє його речовина і в кінцевому рахунку досягне поверхні світила.Якщо монополів усередині об'єкта досить багато, то додатковий нагрів, що не укладається в звичайну модель, можна буде помітити. І навпаки, відсутність такого нагріву дозволяє встановити певне обмеження зверху на кількість GUT-монополів усередині об'єкта і взагалі у Всесвіті.

Один монополь на шість соток

У нашій Галактиці є великомасштабні магнітні поля. Вони в сотні тисяч разів слабше земного поля, але їх характерні розміри досягають тисяч світлових років. Магнітний заряд, що влетів в таке поле, буде забирати у нього енергію, розганяючись до великих швидкостей. У разі найважчих монополів рух визначається в основному гравітацією, і їх швидкість складе близько однієї тисячної швидкості світла (як і у Сонця та інших важких об'єктів, що вільно рухаються в гравітаційному полі Галактики), але більш легкі частинки магнітне поле здатне розігнати майже до швидкості світла . Якщо монополів багато, вони просто "з'їдять" магнітне поле Галактики. Точно так же велика кількість електрично заряджених частинок (електронів, протонів, іонів) в міжзоряному середовищі не дозволяє з'явитися в ній скільки-небудь істотного електричного поля.

Однак насправді ми бачимо, що магнітне поле нашої Галактики істотно не порушено. Значить, за час відновлення галактичного поля (близько 100 млн років) монополі не встигають відібрати у нього багато енергії. Існування галактичного магнітного поля дозволяє поставити верхнє обмеження на загальну кількість таких частинок; це обмеження називається межею Паркера. Воно приблизно відповідає такому потоку частинок: на стандартний дачну ділянку в шість соток за рік з космосу в середньому може впасти не більше одного монополя. Аналогічні оцінки, в яких використовуються параметри міжгалактичних полів, набагато слабших, ніж внутрігалактіческой, дають ще більш жорсткі обмеження. Однак вони менш точні, оскільки ці поля недостатньо досліджені.

У космосі і на Землі

Магнітний заряд (як і електричний) повинен зберігатися. Це означає, що навіть якщо важкі монополії можуть розпадатися на більш легкі, то найлегшим діватися нікуди – вони будуть стабільними частинками. Відповідно, раз створивши монополії, їх не можна зовсім знищити (можна лише аннигилировать "північний" монополь з "південним").Тому, якщо колись і десь вони виникли, то вони практично вічні, і їх можна шукати на космічних просторах. Важкі монополі, передбачені теоріями Великого об'єднання, могли народжуватися в ранньому Всесвіті. Доживши до наших днів, вони повинні борознити простори космосу, в тому числі і в нашій Галактиці.

Астрономічні спостереження допомагають встановити межі на кількість монополів у Всесвіті. По-перше, можна використовувати космологічні дані про кількість темної матерії у Всесвіті. Припущення, що вся темна матерія представлена ​​монополіями (хоча вони – далеко не кращий кандидат на цю роль в "зоопарку" гіпотетичних частинок), дає можливість отримати верхню межу на кількість цих частинок. Але навіть така проста оцінка вже виявляється корисною.

Монополи можуть входити і до складу космічних променів. Якщо вони там є, то шукати їх можна, досліджуючи в лабораторії місячний грунт або зразки речовини метеоритів, які мільярди років піддавалися бомбардуванню космічними променями. Цікавий, хоча і має ряд обмежень метод був заснований на дослідженні стародавніх мінералів, в яких за минулі геологічні епохи монополії мали б залишити свої сліди.Деякі ядра атомів мають магнітним моментом, тобто представляють собою мініатюрний магнітний диполь. Серед них широко поширені в земній корі ядра алюмінію-27. Вільний магнітний диполь завжди втягується в більш сильне магнітне поле, так що пролітає мимо у своїх справах монополь ризикує обзавестися супутником. Ядро алюмінію, протащенное монополії крізь кристалічну решітку мінералу, залишить за собою слід важких руйнувань, який при відповідній обробці кристала може бути виявлено.

Потік монополів вкрай малий, але експозиція в цьому потоці тривалістю в сотні мільйонів років, якою можуть похвалитися деякі слюди, повинна була б дати трек мало не в кожному кубічному міліметрі кристала. Обмеження, отримане застосуванням цього методу, раз в сто суворіше межі Паркера, але для його обгрунтування необхідні деякі додаткові припущення.

Під землею, під водою, під льодом

Рухомий магнітний заряд наводить навколо себе круговий електричне поле, що взаємодіє з оточуючими електричними зарядами. Зокрема, воно може зривати електрони зі своїх орбіт в атомах.Значить, для детектування монополів можна використовувати всю групу іонізаційних методів, розроблених для детектування електрично заряджених частинок, – газові, сцинтиляційні, напівпровідникові, іскрові, методи травлення треків. Монополи Дирака володіють великим зарядом, тому викликають дуже високу іонізацію в речовині, причому, на відміну від електрично заряджених частинок, іонізація речовини монополіями майже не залежить від швидкості в широкому діапазоні енергій. Крім іонізації електричним полем, магнітний монополь здатний викликати в атомах специфічний магнітний ефект іонізації (ефект Дрелла), що не спостерігається для електрично заряджених частинок.

Один з найбільш чутливих експериментів, спрямованих на пошук важких магнітних монополів в космічних променях, використовував відразу кілька методів детектування, що дозволило знизити фон від паразитних подій. Експеримент MACRO (Monopole And Cosmic Ray Observatory) працював протягом ряду років в підземній лабораторії Гран-Сассо в Італії, захищеної від космічних променів шаром гірських порід товщиною 1400 м. Для пошуку рідкісних частинок і подій потрібні величезні обсяги речовини – розміри детектора становили 77 × 12 × 9 м.

Іонізуючі частинки, що пролітають крізь детектор, створюють спалаху в шарах рідкого сцинтилятора – речовини, здатного перетворювати іонізаційний сигнал в світло, який збирається і аналізується відповідної електронікою. Крім того, між шарами знаходяться газові стримерний детектори, що дозволяють відокремити швидкі частинки (в основному залишкові космічні мюони, що зуміли пробитися крізь гору) від повільних (шуканих монополів). І нарешті, в експерименті використовувалися ядерні трекові детектори – шари спеціального пластика, який змінює свої хімічні властивості при проходженні через нього високоіонізірующей частки. Подальше травлення пластика котрі виявляють розчином руйнує його в області, де виділилася енергія, і робить видимим трек частинки – її шлях крізь пластик.

Різниця в іонізаційних властивості монополів і звичайних частинок дозволяє сильно придушити фон, відкидаючи події, несхожі на очікувані. Весь багаторічний експеримент не виявив жодної події, в якому можна було б запідозрити проходження крізь установку монополя. Зате відсутність таких подій дозволило встановити експериментальну верхню межу на потік космічних монополів в Галактиці.

Величезний заряд монополів дозволяє шукати їх по черенковський випромінювання – світла, що випускається часткою в прозорому середовищі (у воді, льоді і т. П.), Коли швидкість частинки вище швидкості світла в цьому середовищі. Релятивістський монополь випускає майже в 7000 разів більше черенковского світла, ніж рухається з тією ж швидкістю звичайна електрично заряджена частинка. Такі події шукали за допомогою нейтринного телескопа NT200 (що складається з фотопомножувачів, занурених під лід Байкалу) і в експерименті AMANDA, який працював в антарктичному льоду на Південному полюсі. Результат – нульовий.

Інфляція і монополі

Одна з важливих складових сучасних космологічних сценаріїв – так звана інфляційна модель. Її основна ідея полягає в тому, що на самих ранніх стадіях наш Всесвіт пережила період швидкого роздування (інфляції). Однією з причин для створення цього сценарію була проблема монополів.

Справа в тому, що рання Всесвіт була настільки гарячою, що в ній легко могли виникати дуже масивні частинки, в тому числі і монополії. Якщо не брати додаткових припущень, то їх було б дуже багато навколо нас, не менше, ніж атомів золота.Але до початку 1980-х років з експериментів вже було ясно, що монополі дуже рідкісні, і треба було придумати якийсь механізм, що призводить практично до повного зникнення таких реліктових часток. Ідея надзвичайно проста. Щоб зробити щільність частинок маленької, треба при зберігається кількості частинок різко збільшити займану ними обсяг. Інфляція для цього ідеально підходить! Залишалося тільки вибрати параметри так, щоб монополії народжувалися до закінчення розширення Всесвіту. Таким чином, загадка монополів виявляється пов'язаної з теорією Великого вибуху.

В лабораторії

Маса монополя Дірака не може бути менше 60 ГеВ. Такі енергії досяжні на сучасних коллайдерах. Значить, монополі з такими масами можуть в них народжуватися, а потім застрявати в металевих деталях прискорювачів або мішеней. Тому можна просто розпиляти ті деталі, які самі по собі не є магнітними, і протягати їх через кільце-детектор. Якщо в шматочку застряг монополь, кільце зреагує на нього. Так шукали монополії в експерименті Е882 в "Фермилабе", а також в проекті HERA. Шукали монополії і на БАК в експерименті ATLAS.

Але можна поступити цікавіше – потужним магнітом видирати застрягли монополії. Вилетівши з шматка металу, вони кинуться туди, куди їх направило магнітне поле. Експериментаторам залишається тільки зареєструвати ці частинки. Спосіб гарний, але поки результат нульовий.


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: