Jagt efter enpolede magneter ved at kombinere kosmiske stråler og partikelacceleratorer

Nogle af verdens mest kraftfulde partikelacceleratorer har hjulpet forskere med at tegne nye førende grænser for eksistensen af ​​lange teoretiserede magnetiske monopoler fra kollisioner af energiske kosmiske stråler, der bombarderer Jordens atmosfære, rapporterer en ny undersøgelse offentliggjort i Physical Review Letters .

Magneter er velkendte for alle, med en bred vifte af anvendelser i dagligdagen, lige fra tv og computere til legetøj til børn. Men at bryde en magnet, såsom en navigationskompasnål, der består af nord- og sydpoler på midten, vil kun resultere i to mindre to-polede magneter. Dette mysterium har undgået forskere i årtier siden 1931, hvor fysikeren Paul Dirac teoretiserede eksistensen af ​​enpolede "magnetiske monopoler" - partikler, der kan sammenlignes med elektroner, men med en magnetisk ladning.

For at undersøge, om der eksisterer magnetiske monopoler, har et internationalt hold af forskere, herunder University of Tokyos Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) Fellow Volodymyr Takhistov, studeret tilgængelige data fra en række jordbaserede eksperimenter og har udført mest følsomme søgninger til dato efter monopoler over en bred vifte af mulige masser. Forskerne fokuserede på en usædvanlig kilde til monopoler - atmosfæriske kollisioner af kosmiske stråler, der har fundet sted i evigheder.

Den tværfaglige forskning krævede at samle ekspertise fra flere forskellige hjørner af videnskaben – inklusive acceleratorfysik, neutrino-interaktioner og kosmiske stråler.

Kosmiske strålekollisioner med atmosfæren har allerede spillet en central rolle i at fremme videnskaben, især udforskningen af ​​spøgelsesagtige neutrinoer. Dette førte til Kavli IPMU Senior Fellow Takaaki Kajitas 2015 Nobelpris i fysik for opdagelsen af ​​Super-Kamiokande-eksperimentet, at neutrinoer oscillerer under flugten, hvilket antyder, at de har masse.

Delvist inspireret af resultaterne af Super-Kamiokande gik holdet i gang med at arbejde på monopoler. Særligt spændende var lette monopoler med masser omkring den elektrosvage skala, som kan være let tilgængelige for konventionelle partikelacceleratorer.

Ved at udføre simuleringer af kosmiske strålekollisioner, analogt med partikelkollisioner ved LHC ved CERN, opnåede forskerne en vedvarende stråle af lysmonopoler, der regnede ned over forskellige jordbaserede eksperimenter.

Denne unikke kilde til monopoler er særlig interessant, da den er uafhængig af alle allerede eksisterende monopoler, såsom dem, der potentielt er tilbage som relikvier fra det tidlige univers, og dækker en bred vifte af energier.

Ved at genanalysere data fra en lang række tidligere eksperimentelle monopolsøgninger identificerede forskerne nye begrænsninger for monopoler på tværs af en bred vifte af masser, inklusive dem, der er uden for rækkevidde af konventionelle kollidermonopolsøgninger.

Disse resultater og kilde til monopoler, som forskerne har studeret, vil tjene som et nyttigt benchmark til fortolkning af efterfølgende fremtidige monopolsøgninger på jordbaserede laboratorier.

Detaljer om deres undersøgelse blev offentliggjort i Physical Review Letters den 17. maj. + Udforsk yderligere

Udnyttelse af de stærkeste magnetfelter i universet kan afsløre undvigende partikel