Физики не увидели магнитных монополей в столкновении ядер свинца

B. Acharya et al. / Nature, 2022

Физики из коллаборации MoEDAL рассказали о результатах поиска магнитных монополей в столкновениях ядер свинца на Большом адронном коллайдере. Такие столкновения создают рекордные по величине магнитные поля, в которых возможно рождение пар монополь-антимонополь из вакуума. В результате эксперимента исследователи не увидели статистически значимого сигнала, что ограничило массы частиц-переносчиков магнитного заряда снизу до 70 гигаэлектронвольт на скорость света в квадрате. Работа опубликована в Nature.

Если попытаться отколоть от постоянного магнита северный или южный полюс, то ничего не выйдет — каждый из образовавшихся осколков будет обладать обоими полюсами. Этот принцип работает вплоть до атомарной структуры и свидетельствует об отсутствии элементарных магнитных зарядов (монополей) в доступных нам физических условиях, в отличие от положительного и отрицательного электрических зарядов.

Тем не менее, физики с неизменным упорством продолжают поиск магнитных монополей. Одной из мотиваций стало то, что магнитные монополи предсказал еще Поль Дирак в качестве условий для квантования электрического заряда. Кроме того, магнитные монополи стали обязательным продуктом разнообразных расширений Стандартной модели.

Магнитные монополи ищут различными способами. Так, физики активно изучают их твердотельные аналоги, ищут их следы в астрономических объектах и даже ограничивают их число на Земле с помощью спутниковых данных. Наиболее убедительным свидетельством существования монополей могли бы стать эксперименты по превращению элементарных частиц на ускорителях, однако из-за сильной связи магнитных зарядов между собой и другими частицами, теория пока не способна корректно описать такие процессы.

Коллаборация MoEDAL (Monopole and Exotics Detector at the LHC), работающая на Большом адронном коллайдере, сообщила о попытке найти магнитные монополи с помощью другого подхода. Они приняли во внимание, что в сверхсильных магнитных полях эти частицы должны рождаться напрямую благодаря механизму Швингера. Такие поля образуются при ультрапериферийных столкновениях тяжелых ядер.

Механизм Швингера изначально описывал рождение реальных электрон-позитронных пар из вакуума при наложении электрических полей выше критического порога, равного 1,3×1018 вольт на метр. Эту величину можно вычислить, скомбинировав нужным образом известные физические константы. В частности, она пропорциональна квадрату массы электрона и обратно пропорциональна его заряду.

Если магнитные монополи существуют, то рождение пары монополь-антимонополь должно обязательно происходить, если величина магнитной индукции в вакууме достигает предела Швингера. Магнитный предел Швингера также зависит от характеристик монополя, однако если его заряд физикам известен с точностью до целочисленного множителя, то его масса до сих пор неизвестна. Тот факт, что их до сих пор не наблюдали при доступных магнитных полях, накладывает ограничение на их массу снизу.

В новом исследовании физики проверили этот механизм при полях порядка 1016 тесла. Такие огромные значения возникают на 10-26 секунд при нецентральных столкновениях тяжелых ионов с прицельным параметром, равным примерно двум радиусам ядра. Эта величина на четыре порядка больше, чем самое большое магнитное поле, которое наблюдали астрономы, что делает его, вероятно, самым большим магнитным полем во Вселенной. Важным преимуществом швингеровского механизма поиска монополей стало то, что его теория довольно проста с точки зрения вычислений, а потому результаты эксперимента легко интерпретировать.

Эксперимент прошел в ноябре 2018 года. Физики сталкивали ионы свинца с энергиями 5,02 тераэлектронвольт и светимостью 0,235 обратных нанобарн, что соответствует примерно 1,8×109 Pb-Pb-столкновениям. По оценкам группы около трети из них происходило в ультрапериферийном (то есть, сильно нецентральном) режиме, генерируя сильное магнитное поле.

Три детектора магнитных монополей, расположенных по бокам и спереди от области столкновений, представляли собой многослойные сборки брусков из чистого алюминия. Масса каждого детектора составляла 880 килограмм. По расчетам авторов ядра алюминия благодаря своему магнитному моменту могут эффективно захватывать магнитно-заряженные частицы с энергиями от 0,5 до 2,5 мегаэлектронвольт. После облучения физики пропускали детекторы через кольцо сверхпроводящего квантового интерферометра (СКВИД). Наличие в них захваченных магнитных монополей должно вызывать изменение магнитного потока и, как следствие, влиять на ток в СКВИД.

В результате проведенных измерений физики не увидели статистически значимых сигналов, которые свидетельствовали бы о захвате магнитных монополей. Авторы интерпретировали полученные данные для приближений, в которых учитывается самодействие частиц и изменчивость магнитного поля во времени и пространстве. Это позволило с вероятностью 95 процентов ограничить массу неточечных частиц, заряженных одним элементарным магнитным зарядом, в 75 гигаэлектронвольт на скорость света в квадрате, а массы частиц, заряженных двумя и тремя зарядами — в 70 гигаэлектронвольт на скорость света в квадрате.

Полученные значения послужат в будущем дополнительными ограничениями для теорий, описывающих Новую физику, а также в качестве ориентира для других экспериментальных поисков магнитных монополей. Сами авторы рассчитывают улучшить теоретическую модель, а также попробовать повторить эксперимент с протон-протонными столкновениями.

Магнитные монополи — это не единственный феномен, который пытаются искать с помощью магнитных полей от столкновений тяжелых ионов. Ранее мы уже рассказывали, как физики искали таким способом хиральный магнитный эффект.

Марат Хамадеев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.