Figur 1. Schematisk illustration av magnetisk kompass, vanlig magnet och hypotetisk magnetisk monopol. Kredit:Kavli IPMU
Några av världens mest kraftfulla partikelacceleratorer har hjälpt forskare att dra nya ledande gränser för förekomsten av långa teoretiserade magnetiska monopoler från kollisioner av energiska kosmiska strålar som bombarderar jordens atmosfär, rapporterar en ny studie publicerad i Physical Review Letters .
Magneter är välbekanta för alla, med omfattande tillämpningar i det dagliga livet, från TV-apparater och datorer till barnleksaker. Men att bryta en magnet, till exempel en navigeringskompassnål som består av nord- och sydpoler på mitten, kommer att resultera i bara två mindre tvåpoliga magneter. Detta mysterium har gäckat forskare i årtionden sedan 1931, när fysikern Paul Dirac teoretiserade förekomsten av enpoliga "magnetiska monopoler" - partiklar jämförbara med elektroner men med en magnetisk laddning.
För att undersöka om magnetiska monopoler existerar har ett internationellt team av forskare, inklusive University of Tokyos Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) Fellow Volodymyr Takhistov, studerat tillgängliga data från en mängd olika terrestra experiment och har genomfört mest känsliga sökningar hittills efter monopoler över ett brett spektrum av möjliga massor. Forskarna fokuserade på en ovanlig källa till monopoler – atmosfäriska kollisioner av kosmiska strålar som har förekommit i eoner.
Den tvärvetenskapliga forskningen krävde att sammanföra expertis från flera olika hörn av vetenskapen – inklusive acceleratorfysik, neutrinointeraktioner och kosmiska strålar.
Kosmiska strålkollisioner med atmosfären har redan spelat en central roll för att utveckla vetenskapen, särskilt utforskningen av spöklika neutriner. Detta ledde till Kavli IPMU Senior Fellow Takaaki Kajitas Nobelpris i fysik 2015 för upptäckten av Super-Kamiokande-experimentet att neutriner oscillerar under flygning, vilket antyder att de har massa.
Delvis inspirerade av resultaten från Super-Kamiokande, började teamet arbeta med monopoler. Särskilt spännande var lätta monopoler med massor runt den elektrosvaga skalan, som kan vara lättillgängliga för konventionella partikelacceleratorer.
Genom att utföra simuleringar av kosmiska strålkollisioner, analogt med partikelkollisioner vid LHC vid CERN, fick forskarna en ihållande stråle av ljusmonopoler som regnade ner på olika terrestra experiment.
Denna unika källa till monopoler är särskilt intressant, eftersom den är oberoende av eventuella redan existerande monopoler, såsom de som potentiellt blir kvar som reliker från det tidiga universum, och täcker ett brett spektrum av energier.
Genom att omanalysera data från ett brett spektrum av tidigare experimentella monopolsökningar, identifierade forskarna nya gränser för monopoler över ett brett spektrum av massor, inklusive de som ligger utanför räckhåll för konventionella kollidermonopolsökningar.
Figur 2. En schematisk illustration av produktion av magnetisk monopol (M) från kollisioner av kosmiska strålar med jordens atmosfär. Kredit:Volodymyr Takhistov
Dessa resultat och källan till monopoler som studerats av forskarna kommer att fungera som ett användbart riktmärke för att tolka efterföljande framtida monopolsökningar vid markbundna laboratorier.
Detaljer om deras studie publicerades i Physical Review Letters den 17 maj. + Utforska vidare
