Могут ли в нашей Вселенной существовать магнитные монополи?

Разные элементарные частицы нашей Вселенной обладают разными свойствами, и в сумме этих свойств набирается довольно много. Кварки, согласно квантовой хромодинамике (КХД), могут иметь «цвета», принимающие одно из трёх значений или «зарядов»: красный, зелёный и синий. Антикварк может принимать один из трёх антицветов: антикрасный, антизеленый и антисиний (обозначаются как голубой, пурпурный и жёлтый, соответственно). Глюоны представляют собой смесь двух цветов, например, красного и антизеленого, что и составляет их цветовой заряд. В КХД восемь глюонов из девяти возможных комбинаций цвета и антицвета считаются уникальными.

Все три цвета, смешанные вместе, или любой из этих цветов и его дополнение (или отрицание) являются «бесцветными» или «белыми» и имеют чистый цветовой заряд, равный нулю. Вследствие свойства сильного взаимодействия, называемого цветовым ограничением, у свободных частиц цветовой заряд равен нулю.

Многие частицы обладают массой (в каком-то смысле это тоже некий вид заряда), но есть и такие, которые её лишены — к примеру, фотоны, переносящие электромагнетизм и глюоны, переносящие сильное взаимодействие, а возможно и гравитоны – гипотетические переносчики гравитационного взаимодействия.

Среди других зарядов — электрический заряд, который может быть у частицы (электрон, позитрон), или его может не быть (нейтрон). Есть и более экзотические заряды – к примеру, слабый гиперзаряд. В Стандартной модели электрослабых взаимодействий физики частиц это квантовое число, связывающее электрический заряд и третью компоненту слабого изоспина. У некоторых частиц есть присущий им момент импульса, или спин. А когда у частицы есть электрический заряд и момент импульса, у неё появляется и магнитный момент.

Магнитный момент – это характеристика магнитной силы и ориентации магнита или другого объекта, создающего магнитное поле, выраженные в виде вектора. Магнитным моментом обладают петли электрического тока (например, электромагниты), постоянные магниты, элементарные частицы (например, электроны), составные частицы (например, протоны и нейтроны), различные молекулы, а также многие астрономические объекты (например, многие планеты, некоторые луны, звезды и т.д.).

Точнее, под магнитным моментом обычно понимается магнитный дипольный момент системы — та составляющая магнитного момента, которая может быть представлена эквивалентным магнитным диполем: северным и южным магнитными полюсами, разнесёнными на очень малое расстояние.

Однако мы ещё никогда и нигде не наблюдали отдельных составляющих магнитного диполя – каких-либо частиц или иных сущностей, обладающих только одним магнитным «зарядом», т.е. «северным» или «южным» полюсом. Однако идея о том, что такие частицы могут существовать, витает в воздухе уже около двухсот лет.


Ещё в конце XVIII века Луиджи Гальвани, врач и анатом из Болонского университета посчитал, что обнаружил «животное электричество», экспериментируя на лягушках. Его земляк Алессандро Вольта, профессор физики в Павийском университете недалеко от Милана, посчитал, что причиной течения электричества было не животное, а комбинации металлов и других веществ.

В ходе исследований Вольта начал экспериментировать со стопками спаренных дисков из разных металлов, и к 1799 году он остановился на стопках из цинковых дисков, спаренных с медными, и кусочках пропитанных морской водой кожи или картона, проложенных между дисками каждой пары. Это устройство могло генерировать значительный и постоянный электрический ток. Второй вариант схемы, названный им «короной из чаш», состоял из чашек с кислотой или солёной водой, соединённых пластинами, состоящими из двух разных металлов, спаянных вместе. Устройство Вольты стали называть «батареей».

Вскоре исследователи применили новое устройство к исследованию связи электричества и магнетизма. С древних времён некоторые подозревали наличие глубокой связи между этими «оккультными» притягивающими силами, но между ними были и загадочные различия. К примеру, наэлектризованный янтарь притягивал любой лёгкий объект, а магнетит – только железо.

В XVII веке появились новые свидетельства, когда философы заметили отчёты о том, как молния намагнитила железные объекты (вроде крестов на колокольнях церквей) и обратила корабельные компасы. Бен Франклин показал, что лейденские банки могли намагнитить или обратить полярность магнита – и это было неудивительно, поскольку к тому моменту он и другие исследователи показали, что молния по своей натуре была
электрической.

После открытий Гальвани и Вольты фиолософы начали изучать возможные взаимодействия гальванизма и магнита. Опыты Эрстеда и Ампера позволили выдвинуть теорию, что магнетизм вызывается крохотными замкнутыми электротоками, текущими под прямым углом к оси магнита, направленной с севера на юг. И впоследствии такая модель прекрасно себя показала – другие учёные начали экспериментировать со спиральными катушками провода для симуляции этих круговых токов. Позднее экспериментаторы обнаружили, что если обернуть провод вокруг покрытого лаком железного стержня, и присоединить его к небольшой батарее, можно сделать мощный электромагнит, сохранявший магнитные свойства, пока по проводу тёк электрический ток. Магнит становился ещё сильнее, если согнуть стержень в виде подковы.

Теоретики пытались объяснить получаемые практиками результаты, вследствие чего шотландский физик и математик Джеймс Клерк Максвелл вывел свои знаменитые уравнения. У него получился набор связанных между собой дифференциальных уравнений, которые вместе с законом сил Лоренца составляют основу классического электромагнетизма, классической оптики и электрических цепей. Эти уравнения описывают математическую модель для электрических, оптических и радиотехнологий, таких как производство электроэнергии, электродвигатели, беспроводная связь, линзы, радары и т.д. Они описывают, как электрические и магнитные поля создаются зарядами, токами и изменениями полей. Максвелл впервые использовал эти уравнения для доказательства того, что свет является электромагнитным явлением.

Но, хотя электричество и вызывает магнетизм, электрические и магнитные поля не симметричны. В природе существуют только электрические заряды и электрический ток, что отражено в уравнениях Максвелла – в них нет магнитных зарядов или магнитного тока. Между тем вполне возможно дополнить уравнения Максвелла, добавив туда магнитный заряд и магнитные токи симметрично электрическим. В таком случае всё было бы симметрично – движение магнитных зарядов порождало бы электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле порождало бы магнитный ток, то есть движение магнитных зарядов в магнитном проводнике.


И это не просто интеллектуальные упражнения: ещё в 1931 году Поль Дирак показал, что из существования монополей вытекает квантование электрических зарядов. А они и правда квантуются! В итоге, существование монополей объясняет реально наблюдаемые физические явления – из чего, правда, не следует, что монополи действительно существуют.

Развитие квантовой механики привело к появлению квантовой теории поля, использующая калибровочные группы. Однако из этой теории также следует, что квантование электрических зарядов связано с существованием монополей.

Конечно, электрические заряды могут квантоваться совсем по другой причине, не связанной с существованием монополей или с нашими теориями. Но по крайней мере, до сих пор у нас нет ни одной причины, по которой магнитные монополи не должны существовать.


К концу прошлого века в попытках объяснить наличие и взаимосвязь фундаментальных взаимодействий физики пришли к формулировке теории Великого объединения (ТВО) (точнее, нескольких вариантов таких теорий). Речь идёт о моделях в физике частиц, которые объединяют электромагнитные, слабые и сильные силы (три калибровочных взаимодействия Стандартной модели) в единую силу при высоких энергиях. Хотя эта единая сила непосредственно не наблюдалась, многие модели ТВО теоретически предполагают её существование. Если объединение этих трёх взаимодействий возможно, то возникает вероятность того, что в самой ранней Вселенной существовала эпоха великого объединения, когда эти три фундаментальных взаимодействия ещё не были разделены.

Эксперименты подтвердили, что при высоких энергиях электромагнитное взаимодействие и слабое взаимодействие объединяются в одно комбинированное электрослабое взаимодействие. Модели ТВО предсказывают, что ещё при более высоких энергиях сильное и электрослабое взаимодействия объединятся в одно электроядерное взаимодействие. Это взаимодействие характеризуется одной большей калибровочной симметрией и, следовательно, несколькими носителями сил, но одной единой константой связи. Объединение гравитации с электронно-ядерным взаимодействием позволит создать более полную Теорию Всего, поэтому ТВО часто рассматривается как промежуточный шаг на пути к Теории Всего.

Ожидается, что новые частицы, предсказываемые моделями GUT, будут обладать чрезвычайно большими массами, которые находятся далеко за пределами досягаемости любых предполагаемых экспериментов на адронных коллайдерах. Поэтому частицы, предсказываемые моделями ТВО, не удастся наблюдать непосредственно, и вместо этого учёные надеются обнаружить эффекты великого объединения с помощью косвенных наблюдений — распада протонов, электрических дипольных моментов элементарных частиц, или свойств нейтрино. Интересно, что некоторые ГУТ, например модель Пати-Салама, предсказывают существование магнитных монополей. Объяснить же отсутствие наблюдений монополей в сегодняшней Вселенной помогает инфляционная теория.

Из расчётов следует, что если бы ранняя Вселенная была очень горячей, то в ней возникло бы большое количество очень тяжёлых, стабильных магнитных монополей. Предполагается, что монополи обильно образуются в рамках ТВО при высоких температурах и должны сохраниться до наших дней в таких количествах, чтобы стать основной составляющей Вселенной. Правда, такое их количество неизбежно должно было привести к повторному коллапсу Вселенной, т.н. «Большому сжатию». А поскольку этого не наблюдается, космологи предлагают возможное решение этой проблемы: рассредоточение монополей по мере расширения Вселенной вокруг них.

Оливер Гулд и Артту Раджанти из Имперского колледжа Лондона даже вывели нижние пределы массы этих предполагаемых частиц. Они рассмотрели два случая, в которых могут возникать магнитные монополи: столкновения тяжёлых ионов и нейтронных звёзд. Для первого случая исследователи рассчитали вероятность (или сечение) образования в столкновениях пары магнитных монополей с определённым магнитным зарядом и массой. Затем они получили нижнее ограничение на массу монополя, сравнив рассчитанное сечение с существующим верхним ограничением на сечение, полученным в ходе эксперимента в ЦЕРНе. Было установлено, что монополи с удвоенным теоретическим минимальным магнитным зарядом — наименьшим зарядом, к которому чувствителен эксперимент, — должны иметь массу более 9 ГэВ∕c2.

Для случая нейтронной звезды специалисты рассчитали, как наличие монополей в недрах звезды повлияет на скорость рассеяния энергии магнитного поля звезды. Подставив в этот расчёт наблюдательную оценку максимального магнитного поля нейтронных звёзд, исследователи получили нижнюю границу 0,7GeV∕c2 на массу монополей с удвоенным минимальным магнитным зарядом. Для таких монополей граница столкновений и граница нейтронных звёзд выше, чем существующий предел, полученный на основе космологических данных.


Представление о монополях приняло сегодняшний вид ещё в 1980-х годах, и именно тогда была предпринята первая попытка их обнаружения. В 1981 году физик из Стэнфорда, Блас Кабрера Наварро, создал экспериментальную установку на основе охлаждённой до сверхнизких температур катушки. Если бы через такую катушку прошёл монополь, он должен был бы вызвать электрический ток с совершенно конкретными характеристиками, отличными от случаев прохождения магнитного диполя.

В ночь на 14 февраля 1982 г. в отсутствии в лаборатории людей его детектор зарегистрировал событие, которое идеально соответствовало гипотезе о магнитном монополе. После того как он опубликовал своё открытие, различными исследовательскими группами было построено несколько аналогичных детекторов, а сама лаборатория Кабреры получила крупный грант на создание усовершенствованного детектора. Однако с тех пор подобных событий зарегистрировано не было, и его исследовательская группа прекратила поиски. В настоящее время он руководит экспериментом по поиску тёмной материи.

В итоге пока что мы не смогли провести подтверждённого наблюдения существования магнитных монополей, но при этом ни одна из существующих теорий не запрещает их существование, и несколько теорий говорят о том, что они могут (или даже должны) существовать. Всё, что мы можем сделать сегодня, это накладывать ограничения на их характеристики и пытаться изобрести эксперименты, которые позволят нам их обнаружить.

Узнавайте о новых акциях и промокодах первыми из нашего Telegram-канала