IceCube не увидел магнитных монополей за восемь лет наблюдений

Ученые проанализировали данные нейтринной обсерватории IceCube за 2886 дней наблюдений на предмет регистрации космических релятивистских магнитных монополей. Физики искали характерный свет, который должны были бы излучать частицы с магнитным зарядом при прохождении через толщу антарктического льда. В результате исследователи не обнаружили следов таких частиц в экспериментальных данных и усилили существовавшие ранее ограничения на поток релятивистских космических монополей со скоростями от 0,8 до 0,995 скорости света. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

Магнитные монополи — гипотетические частицы, обладающие магнитным зарядом. В случае их существования они должны были бы быть источником радиального статического магнитного поля подобно тому, как источником электрического поля с такими характеристиками являются заряженные частицы. Грубо представить себе магнитный монополь можно как один из полюсов дипольного магнита, разрезанного пополам. Однако в реальности магнитные монополи еще не наблюдались: если в действительности разрезать пополам обычный магнит, то мы получим не два монополя противоположных зарядов, а два магнита поменьше.

Существование магнитных монополей хорошо вписывается в уравнения Максвелла, если сделать их полностью симметричными относительно электричества и магнетизма. Уместны они и в рамках формализма квантовой механики: Дирак еще в 1931 году представил механизм квантования одновременно электрических и магнитных полей, согласно которому магнитный элементарный заряд может существовать и должен быть в 68.5 раз больше заряда электрона. Существование магнитных монополей предсказывают и некоторые теории Великого объединения (ТВО).

В рамках ТВО предполагается, что сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия объединяются при очень больших энергиях (порядка 10¹⁴ гигаэлектронвольт). Такое объединение могло иметь место в первые мгновения после Большого взрыва. В этом случае в момент фазового перехода горячей Вселенной, связанного со спонтанным нарушением симметрии и отделением электромагнитного взаимодействия от остальных, могли возникнуть стабильные частицы с магнитным зарядом, причем в сопоставимых с обычными частицами концентрациях.

Такие первичные магнитные монополи в случае их существования должны были бы ускоряться галактическими магнитными полями (подобно обычным зарядам в электрическом поле), которые хоть и малы по величине, но простираются на расстояния вплоть до мегапарсеков. В результате за время своей жизни со времен Большого взрыва частица с магнитным зарядом, по разным оценкам, могла бы разогнаться до энергий порядка 10¹⁴ гигаэлектронвольт, что для определенных масс магнитного монополя соответствовало бы скоростям, близким к скорости света. В случае, если скорость монополя больше чем 0,75 скорости света, его принято называть релятивистским.

При попадании в среду, в которой скорость света меньше скорости магнитного монополя, он должен излучать, причем существенно активнее, чем частица с единичным электрическим зарядом (за счет величины элементарного магнитного заряда). К примеру, при движении сквозь лед монополь со скоростью больше, чем 0,75 скорости света в вакууме, должен испускать в 8300 раз больше фотонов на единицу длины пути в веществе, чем аналогичный мюон. Именно такие богатые на фотоны события и искали участники коллаборации IceCube в данных наблюдений одноименного эксперимента за восемь лет работы с 2011 по 2018 годы, что соответствовало 2886 полным дням наблюдений.

Сам IceCube состоит из 86 связок детекторов черенковского излучения (фотоумножителей), протянутых сквозь один кубический километр антарктического льда, и предназначен для регистрации нейтрино, но способен зарегистрировать и любую другую частицу, испускающую черенковский свет. Поэтому события с магнитными монополями (при их существовании) необходимо выделить из общего числа нейтринных и иных событий. Так, монополь со скоростью выше черенковского порога для льда (0,75 скорости света) должен слабо рассеиваться в среде и однородно испускать большое количество фотонов на всем пути. С другой стороны, ультрарелятивистские монополи (со скоростью больше 0,995 скорости света) при движении сквозь лед рождают много вторичных частиц, которые также порождают черенковское излучение, которым нельзя пренебречь и которое сложно учесть. Поэтому физики пытались найти только те магнитные монополи, скорость которых попадала в диапазон от 0,75 до 0,995 скорости света.

На первом этапе отбора физики исключали из выборки те события, в которых регистрируемая частица летели из области неба над горизонтом, чтобы не принять за магнитный монополь атмосферный мюон высоких энергий. Кроме того, производился отбор по характерному числу рожденных в детекторе фотоэлектронов. Дальнейший отбор характерных для частиц с магнитным зарядом треков производился с помощью Монте-Карло моделирования, после чего из набора данных исключались все нейтринные события. В результате ученые не обнаружили ни одного события, которое указывало бы на регистрацию релятивистского магнитного монополя. Однако полученный результат усилил существующие ограничения на поток космических релятивистских магнитных монополей со скоростью от 0,8 до 0,995 скорости света. Согласно новому ограничению, их поток на Земле не превышает значения в 2*10^-19 на квадратный сантиметр в секунду на единичный телесный угол.

Существование магнитных монополей пытаются обнаружить не только в экспериментах по попыткам регистрации частиц с магнитным зарядом из космоса, но и на ускорителях: совсем недавно ученые не нашли магнитных монополей в столкновениях ядер свинца.

Никита Козырев