Фізика
Фізика

Магнітні монополі пошукають у зіткненнях космічних променів з атмосферою

Фізики припустили, що для появи магнітних монополів потрібні не земні колайдери, які шукають їх у зіткненнях частинок, а експерименти, які займаються дослідженням частинок, що утворюються внаслідок потрапляння космічних променів в атмосферу Землі. Вчені наклали обмеження на діапазон мас монополів, які зможуть утворитися у зіткненнях космічних променів з атмосферою, та навіть представили список експериментів, які зможуть їх зафіксувати. Запропоноване фізиками у статті, опублікованій у Physical Review Letters, джерело монополів універсальне, а тому і доступне земним експериментам.

Схема народження магнітних монополів в атмосфері завдяки космічним променям. Volodymyr Takhistov

Схема народження магнітних монополів в атмосфері завдяки космічним променям. Volodymyr Takhistov

Що шукають фізики?

Магнітні монополі — це частинки з елементарним магнітним зарядом, які потрапили у теорії фундаментальної фізики та фігурують у більшості теорії з розширення Стандартної моделі, але жодного разу не були знайдені експериментально. Їх можна уявити як магніт, який вдалося розділити навпіл так, щоб отримати всього один полюс — північний або південний. Насправді магніти, на відміну від електричних зарядів, які можна отримати окремо позитивний і негативний, так розділити не можна. І це створює багато проблем для фізиків.

Зокрема підтвердження існування магнітних монополів симетризувало б рівняння електромагнетизму Максвелла і пояснило б квантування електричного заряду, як продемонстрував Поль Дірак ще в 1931 році. Понад те, монополі природно з'являються у контексті теорій великого об'єднання сил, де сильна, слабка і електромагнітна взаємодії об'єднуються. Саме тому ці гіпотетичні частки фізики не припиняють шукати вже кілька десятиліть.

Звичайний магніт (компас) та магнітний монополь.  Kavli IPMU

Звичайний магніт (компас) та магнітний монополь. Kavli IPMU

Де шукати монополі?

Більшість пошуків монополів зосереджуються на так званому космічному сценарії. Згідно з ним, як передбачають теорії великого об'єднання, маса монополя має складати 10¹⁶ гігаелектронвольт, поділений на швидкість світла в квадраті (10¹⁶ГеВ/с², за формулою Айнштайна). А така масивна частинка могла утворитися лише за допомогою енергій величезного рівня, які були доступні лише у перші секунди зі створення Всесвіту. Це означає, що такі первинні монополі через розширення Всесвіту зараз ніби розмазані по ньому, а тому, хоча і вони мають дожити до нашого часу, знайти їх складно.

Однак деякі моделі передбачають, що окрім таких важких первинних монополів, можуть існувати і так звані монополі проміжної маси, для створення яких можуть підійти земні колайдери, які утворять частинки у зіткненнях. У своїй же роботі фізики з Технологічного інституту Карлсруе, що у Німеччині, спільно з колегами з Америки і Японії, пропонують сценарій появи таких монополів у зіткнення космічних променів в атмосфері.

Як знайти такі монополі?

Поверхня Землі постійно піддається впливу космічних променів з різноманітних астрофізичних джерел: від Сонця до інших галактик. Космічні промені являють собою ядра різноманітних елементів, але у більшості це водень і гелій. За ними можна стежити як і з космосу, спостерігаючи напряму, так і з Землі, але вже непрямо — ловлячи вторинні частинки, які виникають внаслідок взаємодії цих променів із атмосферою Землі. Це, наприклад, піони, мюони і нейтрино. Їх вже можуть побачити чутливі до певних частинок земні детектори. Наприклад, експеримент IceCube, який на глибині понад два метри у льодовику Південного полюса ловить нейтрино.

Причому важливо, що на відміну від колайдерів, які також займаються народженням нових частинок у зіткненнях, енергія у космічних променях набагато вища, а тому, на думку авторів нової роботи, якщо розробити точні мішені для монополів, то їх можна буде знайти у цьому потоці вторинних частинок.

Методологію утворення монополів таким чином дослідники позичили у фізиків з колаборації MoEDAL, яка також шукає монополі, але на Великому адронному колайдері. Вони використовують так званий механізм Швінгера, який передбачає, що пари магнітних монополів та їхніх двійників-античастинок можуть утворитися у достатньо сильному для цього магнітному полі у протон-протонному зіткненні. З'явитися в атмосфері монополі можуть внаслідок дії механізму Дрелла–Яна, через анігіляцію кваркових пар з утворенням віртуального фотона q¯q→γ∗→M¯M та злиття фотонів γ*γ*→M¯M. Затим за допомогою моделювання фізики оцінили необхідну енергію у центрі мас зіткнення, яка і дасть змогу вирахувати потенційний потік монополів, які народилися внаслідок зіткнення космічних променів з атмосферою.

Інтенсивність потоку монополів, створених у зіткненнях космічних променів у верхній частині атмосфери. На схемі продемонстровані монополі різних мас та різних механізмів появи. Syuhei Iguro et al. / Physical Review Letters, 2022 

Інтенсивність потоку монополів, створених у зіткненнях космічних променів у верхній частині атмосфери. На схемі продемонстровані монополі різних мас та різних механізмів появи. Syuhei Iguro et al. / Physical Review Letters, 2022

Внаслідок фотонно-ядерних реакцій, які уповільнять швидкість монополів, потік, який зможе досягнути Землі складає 10⁴-10⁵. Так вдалося оцінити нижню і верхню межу маси монополів, які зможуть потрапити у підземні детектори крізь товщу породи - це від 5 до 10 тераелектронвольтів. Так вчені з'ясували, що найкращими для пошуку частинок на нижній межі маси можуть виявитися експеримент SLIM, який знаходиться на висоті 5 230 метрів над рівнем моря, а також RICE і AMANDA-II у вищих діапазонах маси.

Окрім спеціалізованих експериментів з пошуку монополів, таких як MoEDAL на ВАК, до цього завдання долучаються й інші. Наприклад, нейтринна обсерваторія IceCube. Однак за вісім років роботи з її допомогою так і не вдалося відшукати слідів монополів в антарктичній кризі.