دنیای فیزیک در آستانه یافتن تک‌قطبی‌های مغناطیسی؟

یکی از مهم‌ترین آزمایش‌ها در LHC (برخوردگر بزرگ هادرونی) در سرن، شناسایی تک قطبی‌های مغناطیسی است و به نظر می‌رسد که ما در آستانه‌ی باز کردن پنجره‌ای برای حل این معمای 200 ساله هستیم.

به گزارش سرگرمی روز، دو مقاله اولیه توسط تیم بزرگی از دانشمندان گزارش می دهند که اگرچه نتوانستند تک قطبی های مغناطیسی را بیابند (فقط قطب مغناطیسی شمال یا جنوب، هیچ چیز دیگری)، اما محدوده احتمالی وجود تک قطبی های مغناطیسی را تعیین کردند.

این گزارش‌های اولیه که در سرور بایگانی منتشر شده‌اند، حتی عجیب‌ترین ایده‌ها را بررسی می‌کنند، مانند اینکه ممکن است سال‌ها پیش تک قطبی‌های مغناطیسی ساخته‌ایم و تصادفی متوجه آن‌ها نشده‌ایم. البته پیش‌نویس‌ها هنوز مورد بررسی قرار نگرفته‌اند.

تک قطبی مغناطیسی چیست؟

یکی از اولین درس های فیزیک دبیرستان این است که آهنرباها همیشه دو قطب مخالف دارند، یکی شمال و دیگری جنوب. اگر یک آهنربای میله ای را به دو قسمت تقسیم کنید، قطب های جدیدی در نزدیکی شکاف ظاهر می شوند، بنابراین هر آهنربای کوچکتر همچنان یکی از هر قطب را خواهد داشت. همانطور که این شکاف را کوچکتر و کوچکتر می کنید، در نهایت به آهنربای کوچکتری خواهید رسید که دارای یک قطب شمال و یک قطب جنوب است.

با این حال، از قرن نوزدهم، دانشمندان به این فکر می‌کردند که آیا راهی وجود دارد که یک قطب مغناطیسی منفرد (تک قطبی مغناطیسی) جدا و جدا از قطب مخالف دیگر وجود داشته باشد. این در حالی است که بارهای الکتریکی مثبت و منفی برای وجود خود نیازی به بار مخالف ندارند.

جیمز کلرک ماکسول، یکی از بنیانگذاران نظریه الکترومغناطیس، فکر می کرد که مشکل تک قطبی مغناطیسی را برای همیشه حل کرده است، اما چند دهه بعد پل دیراک نشان داد که وجود تک قطبی می تواند کوانتیزه شدن بار الکتریکی را توضیح دهد. و از آنجایی که بار الکتریکی به صورت گسسته وجود دارد، پس بار مغناطیسی (تک قطبی) نیز باید کوانتیزه شود و از واحدهایی به نام “بار دیراک” ساخته شود که مقدار آن 68.5 برابر بار الکترون است. از آن زمان، نظریه پردازان به طور فزاینده ای نسبت به این ایده متقاعد شدند، اما آزمایشگران نتوانستند نشانه ای از یک تک قطبی مغناطیسی را بیابند.

در واقع، تئوری تک قطبی آنقدر پیشرفته است که اکنون فیزیکدانان کاملاً موافق هستند که احتمالاً وجود دارند. اما تایید تک قطبی های مغناطیسی زیراتمی هنوز مورد تردید است.

بیشتر تئوری های تک قطبی مغناطیسی مستلزم آن است که قوانین تقارن را نقض نکنند. در نتیجه، قطب شمال یا جنوب مغناطیسی بیش از حد در جهان وجود ندارد. هر دو باید از نظر تعداد برابر باشند، اما بر خلاف قطب های مغناطیسی معروف، تک قطبی ها نباید به هم متصل شوند.

چگونه یک تک قطبی مغناطیسی بسازیم؟

آزمایش آشکارساز تک قطبی و سایر پدیده های عجیب و غریب (MoEDAL) از سال 2012 به عنوان بخشی از آزمایش برخورد دهنده بزرگ هادرون به جستجوی تک قطبی های مغناطیسی پرداخته است.

تک قطبی های مغناطیسی را می توان به روش های مختلفی ساخت. به عنوان مثال، دانشمندان MoEDAL به دنبال نشانه هایی از تولید انحصاری از فوتون های مجازی هستند. فوتون های مجازی نیروی الکترومغناطیسی را بین دو حامل بار حمل می کنند، اما به صورت ذرات آزاد وجود ندارند.

فوتون های مجازی را می توان با برخورد با ذرات با سرعت بسیار بالا ایجاد کرد. فیزیکدانان نظری دو راه برای تولید تک قطبی های مغناطیسی پیشنهاد کرده اند. یکی شامل ادغام دو فوتون مجازی است و دیگری که به فرآیند Drell-Yan معروف است، قادر به تولید یک تک قطبی از یک فوتون مجازی است.

اگرچه ممکن است انتظار داشته باشیم که بهترین راه برای یافتن یک تک قطبی مغناطیسی، میدان مغناطیسی آن باشد، اما لزوماً اینطور نیست. یکی از ویژگی های اصلی تک قطبی های نظری این است که بار زیادی را حمل می کنند. کشف جسمی با چنین بار الکتریکی بالا (HECO) نشان دهنده وجود فیزیک خارج از مدل استاندارد است، و به ویژه سرنخ اصلی برای تک قطبی های سرگردان است، اگرچه سایر اجرام عجیب و غریب، مانند بقایای سیاهچاله های میکروسکوپی، می توانند همچنین مسئول چنین پدیده هایی باشد.

محققان آزمایش MoEDAL محدودیت‌های پایین‌تری را برای جرم تک قطبی تعیین کردند که می‌نویسند «قوی‌ترین مورد منتشر شده تا به امروز» است. با انجام این کار، آنها ادعا می کنند که از آزمایش بسیار بزرگتر ATLAS که از LHC برای همان هدف استفاده می کند، بهتر عمل کرده اند.

مکانیزم چرخش

پیش چاپ دوم جستجوی متفاوتی را بر اساس مکانیسم نظری شوینگر توصیف می کند. این مکانیسم زمانی اتفاق می افتد که یون های عناصر سنگین در اولین راه اندازی LHC با هم برخورد می کنند. مکانیسم شوینگر فرض می کند که یک جریان الکتریکی یا مغناطیسی به اندازه کافی قوی می تواند ذرات را از خلاء ایجاد کند. اگر تک قطبی ها ذرات مرکب باشند، مکانیسم شوینگر ممکن است اولین و بهترین راه برای مشاهده آنها باشد.

در این روش، محققان این ایده را بررسی کردند که آیا تک قطبی ها ممکن است در طول آزمایش سرن ایجاد شده باشند اما در جایی در LHC دستگیر شده و نادیده گرفته شوند. اگرچه هیچ نشانه ای مبنی بر درست بودن این ایده وجود نداشت، فیزیکدانان به این نتیجه رسیدند که برای ساختن یک تک قطبی مغناطیسی به انرژی زیادی نیاز است. پس با اطمینان 95 درصد می توان گفت که جرم آنها باید بیش از 80 میلیارد الکترون ولت (80 گیگا ولت) باشد.

البته این یافته ها بسیاری از فیزیکدانان نظری را شگفت زده نخواهد کرد. تک قطبی های مغناطیسی راه را برای نظریه های یکپارچه بزرگی که به دنبال آشتی دادن مکانیک کوانتومی با گرانش هستند، هموار خواهند کرد. با توجه به رویکردهای تئوری یکپارچه بزرگ، تک قطبی های مغناطیسی باید جرم های عظیمی در حدود هزاران میلیارد الکترون ولت داشته باشند و بار آنها حداقل 2 یا 3 برابر بار پلانک باشد.