Naukowcy wykorzystali odcinek rury wiązki LHC do poszukiwania monopoli magnetycznych, hipotetycznych cząstek z pojedynczym biegunem magnetycznym.
Ich badanie, które obejmowało analizę skutków promieniowania ze zderzeń jonów o ultrawysokiej energii, nie ujawniło żadnych monopoli, ale ustanowiło rygorystyczne ograniczenia dotyczące ich istnienia, pogłębiając naszą wiedzę o fizyce cząstek elementarnych.
Badania monopolu magnetycznego
Nowe badania z wykorzystaniem wycofanego ze służby odcinka rury belkowej z Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) o godz CERN zbliżyło naukowców niż kiedykolwiek wcześniej do sprawdzenia, czy istnieją monopole magnetyczne.
Naukowcy z Uniwersytet w Nottinghamwe współpracy z międzynarodowym zespołem odkryli najsurowsze jak dotąd ograniczenia dotyczące istnienia monopoli magnetycznych, przesuwając granice tego, co wiadomo na temat tych nieuchwytnych cząstek. Wyniki ich badań opublikowano 15 sierpnia w czasopiśmie Listy z przeglądu fizycznego.
Podstawy teoretyczne i kierunek studiów
W fizyce cząstek monopol magnetyczny to hipotetyczna cząstka elementarna, która jest izolowanym magnesem z tylko jednym biegunem magnetycznym (biegun północny bez bieguna południowego i odwrotnie).
Oliver Gould, Dorothy Hodgkin Fellow w Szkole Fizyki i Astronomii na Uniwersytecie w Nottingham jest głównym teoretykiem badania, powiedział: „Czy mogą istnieć cząstki z tylko jednym biegunem magnetycznym, północnym lub południowym? Ta intrygująca możliwość, popierana przez znanych fizyków Pierre’a Curie, Paula Diraca i Josepha Polchinskiego, pozostaje jedną z najbardziej urzekających tajemnic fizyki teoretycznej. Potwierdzenie ich istnienia miałoby przełomowy wpływ na fizykę, jednak dotychczasowe poszukiwania eksperymentalne nie przyniosły rezultatu”.
Konfiguracja eksperymentalna i metodologia
Zespół skupił swoje poszukiwania na wycofanym z eksploatacji odcinku rury belkowej z LHC w CERN, Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych. W badaniu przeprowadzonym przez fizyków z detektora Monopole and Exotics Detector w eksperymencie LHC (MoEDAL) zbadano odcinek rury z wiązką berylu, który został zlokalizowany w punkcie zderzenia cząstek na potrzeby eksperymentu Compact Muon Solenoid (CMS). Rura ta wytrzymała promieniowanie pochodzące z miliardów zderzeń jonów o ultrawysokiej energii, które miały miejsce zaledwie centymetry dalej.
„Bliskość rury wiązki do punktu zderzenia ultrarelatywistycznych ciężkich jonów zapewnia wyjątkową możliwość badania monopoli o niespotykanie wysokich ładunkach magnetycznych” – wyjaśnia dr Aditya Upreti. kandydat, który kierował analizą eksperymentalną podczas pracy w grupie MoEDAL profesora Ostrowskiego na Uniwersytecie w Alabamie. „Ponieważ ładunek magnetyczny jest zachowany, monopole nie mogą się rozpaść i oczekuje się, że zostaną uwięzione w materiale rury, co pozwala nam niezawodnie ich szukać za pomocą urządzenia bezpośrednio wrażliwego na ładunek magnetyczny”.
Wyniki i przyszłe kierunki
Naukowcy zbadali powstawanie monopoli magnetycznych podczas zderzeń ciężkich jonów w LHC, które generowały pola magnetyczne nawet silniejsze niż te szybko wirujące gwiazdy neutronowe. Tak intensywne pola mogą prowadzić do spontanicznego tworzenia monopoli magnetycznych poprzez mechanizm Schwingera.
Oliver dodał: „Mimo że jest to stary kawałek rury przeznaczony do utylizacji, nasze przewidywania wskazywały, że może to być najbardziej obiecujące miejsce na Ziemi do znalezienia monopolu magnetycznego”.
W ramach współpracy MoEDAL wykorzystano magnetometr nadprzewodzący do przeskanowania rury wiązki pod kątem sygnatur uwięzionego ładunku magnetycznego. Chociaż nie znaleźli dowodów na istnienie monopoli magnetycznych, ich wyniki wykluczają istnienie monopoli lżejszych niż 80 GeV/c² (gdzie c to prędkość światła) i dostarczają wiodących na świecie ograniczeń dla ładunków magnetycznych w zakresie od 2 do 45 jednostek podstawowych.
Zespół badawczy planuje teraz rozszerzyć swoje poszukiwania, podsumowuje Oliver: „Wykorzystana przez nas rura wiązkowa pochodzi z pierwszego uruchomienia Wielkiego Zderzacza Hadronów, który przeprowadzono przed 2013 rokiem i przy niższych energiach. Rozszerzenie badania na nowszy okres przy wyższych energiach mogłoby podwoić nasz zasięg eksperymentalny. Obecnie rozważamy także zupełnie inne strategie poszukiwania monopoli magnetycznych.”
Odniesienie: „Poszukiwanie MoEDAL w rurze belkowej CMS w poszukiwaniu monopoli magnetycznych wytworzonych w wyniku efektu Schwingera” do 15 sierpnia 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.071803
