Фізика
Фізика

IceCube не вдалося знайти магнітні монополі. Дані збирали вісім років

Нейтринна обсерваторія IceCube за вісім років роботи не знайшла слідів космічних релятивістських монополів. Частинки з ізольованим магнітним зарядом, що їх шукали фізики, мали б залишити характерне світло при проходженні крізь антарктичну кригу. Відсутність сигналів накладає нові обмеження на пошуки цих гіпотетичних частинок. Стаття опублікована у Physical Review Letters.

TEK IMAGE / Getty

TEK IMAGE / Getty

Що шукали вчені?

І хоча досі у нас нема жодного експериментального підтвердження, частинки з магнітним зарядом — магнітні монополі — потрапили у теорії фундаментальної фізики та фігурують у більшості теорії з розширення Стандартної моделі. Більше про це ми розповідали у новині про, на жаль безуспішні, пошуки магнітних монополів експериментом на Великому адронному колайдері.

Щоб уявити собі магнітний монополь, уявіть собі магніт, який, якщо ви його розділите навпіл, матиме всього один полюс. Однак у дійсності навіть якщо розкришити магніт на атоми, ми просто отримаємо магніти в атомному масштабі, але не два монополі з протилежними зарядами. Ці гіпотетичні частинки могли утворитися у ранньому Всесвіті, коли сталося спонтанне порушення симетрії і електромагнітна взаємодія відділилася від інших. Цих так званих первинних монополів мало з'явитися у кількості, порівняній з кількістю баріонів. Це призвело до «проблеми монополя» — якщо їх утворилося так багато, то чому ми їх не фіксуємо?

Проблема монополя знайшла свій розв'язок у домінівній на сьогодні космологічній концепції — моделі інфляції. Згідно з нею, якщо на найбільш ранніх стадіях Всесвіт пережив надзвичайно швидке розширення, то це ніби «розмазало» монополі простором. А так початкову їхню концентрацію можна довести до рівня сучасних спостережень (тобто їхньої відсутності). Таким чином, дотягнувши до наших днів, ці стабільні частинки мають досі залишитися у космосі та чекати поки їх знайдуть.

І зокрема у рамках експерименту IceCube - розміщеному на глибині від 1,45 до 2,45 кілометра під льодовиками Південного полюса нейтринному телескопу. Його місія полягає у пошуку пов'язаного з нейтрино черенковського випромінювання. Однак детектори IceCube чутливі і до будь-яких інших частинок, які можуть випромінювати світло, тому обсерваторію можна використати для пошуку космічних монополів за слідами, які вони залишать, проходячи крізь крижаний детектор.

Які монополі шукає IceCube?

Такі реліктові монополі, які мають десь залишитися у космосі, до наших днів мають вже розігнатися до релятивістських швидкостей через взаємодію з галактичними і міжгалактичними магнітними полями. Попри їхню слабкість (їх оцінюють у порядках від нано- до мікрогаусів, що значно менше за наше власне Земне магнітне поле), вони простягаються у просторі на кіло- і мегапарсеки. А тому від реліктових монополів можна очікувати енергій порядку 10¹⁴гігаелектронвольтів. І якщо вони встигли розігнатися до швидкості у 0,75 швидкості світла, то їх можна називати релятивістськими, і саме такі монополі шукав IceCube.

Очікувана частота появи монополів залежно від числа фотоелектронів (зліва) та появи астрофізичних нейтрино. R. Abbasi et al. (IceCube Collaboration) / Physical Review Letters, 2022

Очікувана частота появи монополів залежно від числа фотоелектронів (зліва) та появи астрофізичних нейтрино. R. Abbasi et al. (IceCube Collaboration) / Physical Review Letters, 2022

Що знайшли фізики у кризі?

Космічні релятивістські магнітні монополі при потраплянні у середовище, де швидкість світла буде меншою за їхню власну, випромінять приблизно у 8300 разів більше фотонів на одиницю довжини шляху у цьому середовищі, ніж мюон. Такі яскраві для детекторів події і шукали фізики у даних IceCube за 2886 днів його роботи з 2011 по 2018 роки. У пошуках вчені зосередилися на швидкостях між 0,75 і 0,995 швидкості світла, а від космічних і атмосферних нейтрино і мюонах у даних позбавилися, зосередивши пошук на сигналах і треках, які за розрахунками притаманні магнітним монополям.

Результат IceCube з пошуку магнітних монополів (зеленим) поруч з іншими експериментами. R. Abbasi et al. (IceCube Collaboration) / Physical Review Letters, 2022

Результат IceCube з пошуку магнітних монополів (зеленим) поруч з іншими експериментами. R. Abbasi et al. (IceCube Collaboration) / Physical Review Letters, 2022

Загалом вчені провели два етапи перевірки даних, у ході яких відсікали всі непов'язані з бажаними частинками події. І в результаті не знайшлося жодної, яка б вказала на реєстрацію релятивістського магнітного монополя. Тепер з точністю у 90 відсотків можна стверджувати, що потік цих частинок на Землю зі швидкостями від 0,8 до 0,995 швидкості світла не перевищить 2x10^-19 на квадратний сантиметр у секунду на просторовий кут.

Також ми розповідали, як у пошуках магнітних монополів не допомогло навіть рекордне магнітне поле. Фізики на Великому адронному колайдері не отримали жодних статистично значущих сигналів, які б вказали на народження магнітного монополя у магнітному полі, яке більше, ніж найбільше магнітне поле, яке бачили астрономи у нейтронних зірках.


Фото в анонсі: TEK IMAGE / Getty