Рисунок 1. Схематическое изображение магнитного компаса, обычного магнита и гипотетического магнитного монополя. Предоставлено: Кавли IPMU

Некоторые из самых мощных в мире ускорителей частиц помогли исследователям вывести новые ведущие пределы существования давно предполагаемых магнитных монополей в результате столкновений энергичных космических лучей, бомбардирующих атмосферу Земли, сообщается в новом исследовании, опубликованном в Physical Review Letters.

Магниты хорошо знакомы каждому, они широко применяются в повседневной жизни, от телевизоров и компьютеров до детских игрушек. Однако если сломать любой магнит, например стрелку навигационного компаса, состоящую из северного и южного полюсов пополам, получится всего два меньших двухполюсных магнита. Эта загадка ускользала от исследователей на протяжении десятилетий, начиная с 1931 года, когда физик Поль Дирак выдвинул теорию о существовании однополюсных «магнитных монополей» — частиц, сравнимых с электронами, но обладающих магнитным зарядом.

Чтобы выяснить, существуют ли магнитные монополи, международная группа исследователей, в том числе сотрудник Института физики и математики Вселенной, ведут наиболее чувствительные на сегодняшний день поиски монополий в широком диапазоне возможных масс. Исследователи сосредоточились на необычном источнике монополей — атмосферных столкновениях космических лучей, которые происходили на протяжении тысячелетий.

Междисциплинарное исследование потребовало объединения опыта из нескольких различных областей науки, включая физику ускорителей, взаимодействие нейтрино и космические лучи.

Столкновения космических лучей с атмосферой уже сыграли центральную роль в развитии науки, особенно в исследовании призрачных нейтрино. Это привело к тому, что старший научный сотрудник Кавли IPMU Такааки Кадзита был удостоен Нобелевской премии по физике в 2015 году за открытие в ходе эксперимента Супер-Камиоканде того, что нейтрино колеблются в полете, что подразумевает наличие у них массы.

Частично вдохновившись результатами Супер-Камиоканде, команда приступила к работе над монополиями. Особенно интригующими были легкие монополи с массами около электрослабой шкалы, которые могут быть легко доступны для обычных ускорителей частиц.

Проведя моделирование столкновений космических лучей, аналогично столкновению частиц на БАК в ЦЕРНе, исследователи получили постоянный пучок световых монополей, падающий на различные земные эксперименты.

Этот уникальный источник монополей особенно интересен, поскольку он не зависит от каких-либо ранее существовавших монополей, таких как те, которые потенциально остались как реликвии ранней Вселенной , и охватывает широкий диапазон энергий.

Повторно проанализировав данные из широкого круга предыдущих экспериментальных поисков монополей , исследователи определили новые ограничения для монополей в широком диапазоне масс, включая те, которые находятся за пределами досягаемости обычных поисков монополей на коллайдерах.

Рис. 2. Схематическое изображение образования магнитных монополей (М) в результате столкновений космических лучей с атмосферой Земли. Фото: Владимир Тахистов

Эти результаты и источник монополей, изученных исследователями, послужат полезным ориентиром для интерпретации последующих будущих поисков монополей в наземных лабораториях.

Подробности их исследования были опубликованы в Physical Review Letters 17 мая.