Половинка від магніту

Стандартна модель (СМ) елементарних частинок описує 61 частинку (останньою відкритою став бозон Хіггса). Однак теоретики вже давно і активно працюють над різноманітними розширеннями СМ, як правило, що призводять до передбачення нових частинок, які експериментатори намагаються виявити. Іноді ці пошуки тривають десятиліттями, як це сталося з магнітним монополем.

Колись електричні та магнітні явища вважали абсолютно різними і не пов’язували один з одним. Насправді, що спільного у іскри, яка проскакує між вашою рукою і носом кішки, і поведінкою стрілки компасу? Однак з часом почали накопичуватися дані про те, що електричні та магнітні явища «ходять парою». Поступово прийшло розуміння, що це дві сторони однієї медалі. У теорії електромагнетизму, створеній Джеймсом Максвеллом в середині XIX століття, електрика і магнетизм з’єднувалися в одній групі елегантних рівнянь.

Проте є і цілком очевидна різниця. Ми знаємо, що існують електричні заряди двох знаків — їх можна легко відокремити один від одного. А ось магнітних зарядів нікому виявити поки не вдалося: якщо ми розпиляємо магніт навпіл, то отримаємо не два полюси, а два повноцінних магніти. Поле магніту створюється молекулярними струмами, тобто пов’язане з рухом електричних зарядів. Тому полюси магніту не можна розділити — вони являють собою не самостійні сутності, а лише два кінці так званого магнітного діполя (буквально — двополюсника). Існують і електричні діполі — така, наприклад, молекула води, оскільки електронна хмара молекули зміщена від її центру. Хоча в цілому вона нейтральна, іонізацією можна розділити її на електрон і позитивно заряджений іон.

Окремий північний або південний магнітний полюс і був би магнітним зарядом (або їх скупченням), але розділити їх нікому поки не вдалося. Відомі магнітні поля (не тільки у постійних магнітів, але, наприклад, у Землі і Сонця, у інших планет і зірок) породжуються не магнітними зарядами, а електричними струмами. Але якщо магнітних зарядів немає, то немає і повної симетрії між електрикою і магнетизмом?

Неможлива частинка

Перші ідеї про існування магнітних зарядів з’явилися досить давно. Несиметрія рівнянь Максвелла щодо магнітних і електричних явищ цілком очевидна, причому симетрію можна легко відновити, ввівши на додаток до спостережуваних електричних зарядів і струмів гіпотетичні магнітні заряди і магнітні струми. Вперше про таку можливість згадав в одній зі своїх нотаток в 1894 році П’єр Кюрі, але, оскільки такі заряди і струми ніхто і ніколи не спостерігав, цим справа і обмежилася.

Для виходу гіпотези на новий рівень знадобилося створення квантової механіки. У 1931 році Поль Дірак, досліджуючи симетрію між електрикою і магнетизмом, показав, що введення магнітних зарядів дозволяє елегантно вирішити давню загадку природи — квантування електричного заряду. Виявилося, що якщо у Всесвіті існує хоча б один магнітний заряд, всі електричні заряди зобов’язані бути кратними елементарному електричному заряду (магнітні заряди при цьому теж зобов’язані квантуватися). Пізніше, вже в 1974 році, Герард’т Хоофт і Олександр Поляков показали, що і в більш досконалих теоріях Великого об’єднання, в яких різні взаємодії описуються в рамках єдиного підходу, також повинні існувати магнітні монополи, що виникають як топологічні дефекти хіггсова поля. І їх почали активно шукати.

Під покровом таємниці

Про монополі відомо небагато. Точніше, різні теорії роблять дуже різні передбачення, і навіть в рамках одного підходу властивості монополій можуть сильно різнитися. У теоріях Великого об’єднання виникають дуже масивні монополі — в 10¹⁶ разів масивніше протона, тобто масою приблизно з амебу. Створення таких частинок вимагає гігантських енергій, і вони могли з’являтися тільки в перші миті життя нашого Всесвіту. Зате потім вони могли зберегтися до наших днів, і ми можемо сподіватися зареєструвати такого прибульця з космосу. Інші моделі передбачають, що монополі можуть бути всього лише раз в сто важче протона. Тоді є надія отримати їх в експериментах на прискорювачах.

Класичний монополь Дірака не має електричного заряду (як, скажімо, електрон не має магнітного). Однак у деяких моделях монополи на додачу до магнітного мають ще й електричний заряд. Такі частинки, діони, придумав американський фізик-теоретик Джуліан Швінгер. Це екзотика, але їх теж шукають. А може, у звичайних частинок є магнітний заряд, але дуже маленький? Це припущення теж перевірялося, і, наприклад, у електрона не виявлено ніяких слідів магнітного заряду з точністю 24 знака після коми.

Електромагнітна індукція і монополі

За сто років до передбачення монополія Діраком інший вчений, Майкл Фарадей, виявив явище електромагнітної індукції: мінливе магнітне поле створює в ланцюгу електричний струм. Це явище і лежить в основі цікавого способу пошуку монополій. Коли крізь надпровідне кільце пролітає монополій, що несе дираківський магнітний заряд, струм у кільці змінюється так, щоб магнітний потік через кільце змінився рівно на два кванти магнітного потоку (ця величина теж квантується), причому ні швидкість, ні маса частинки значення не мають. Саме так протягом довгого часу наукові групи шукали монополі. У першому ж з таких експериментів, що набирав дані протягом п’яти місяців, стався стрибок струму, дуже схожий на шукану подію прольоту монополя крізь котушку. Цей випадок, що отримав назву «подія Кабрери» (на прізвище побачив його експериментатора), стався о другій годині дня 14 лютого 1982 року. Він так і не був пояснений. Більш пізні і значно більш чутливі експерименти нічого подібного не виявили, якщо не брати до уваги ще одного випадку в Лондоні в 1985 році. В експериментальній фізиці поодиноке спостереження не дає права оголосити про відкриття. Лише багаторазові підтвердження ефекту, бажано в різних лабораторіях, дозволили б говорити про доказове виявлення шуканої частинки. Зараз вважається, що обидві загадкові події були викликані якимись неврахованими зовнішніми впливами на детектор.

GUT-монополі

GUT-монополь — це релікт, в оболонках якого, як у шарах відкладень, «законсервовані» етапи формування дуже раннього Всесвіту.

Монополі, передбачувані моделями Великого об’єднання (так звані GUT-монополі, від Great Unification Theory), мають «цибулинну» структуру: у самих внутрішніх частинах панує та сама об’єднана взаємодія, яка зовні, у звичному нам світі, розщеплюється на електромагнітну, слабку і сильну взаємодії, дуже несхожі один на одного. Об’єднана взаємодія має цікаву властивість: воно не зберігає окремо ні баріонне, ні лептонне число — ті, що зазвичай зберігаються величини, які відповідальні за стабільність протона і електрону, а значить, і всієї навколишнього нас речовини. Розпад протона ніколи ще не спостерігався експериментально, незважаючи на інтенсивні пошуки. Однак крихітна серцевина GUT-монополія смертоносна для протонів — вона, хоча сама за розмірами в стільки ж разів менше протона, у скільки протон менше дині, здатна змусити його миттєво розпастися на позитрон і пі-мезон, причому сам монополь від цього ніяк не страждає і може тут же зайнятися наступною «жертвою». Це передбачене, але, як і сам GUT-монополій, поки що ніким не спостерігалося явище називають механізмом Каллана — Рубакова, або каталізом протонного розпаду, за аналогією з хімічним каталізом, коли речовина-каталізатор ініціює реакцію, але сама не витрачається.

Розпад протона

Протон, якому нещаслива доля приготувала зустріч з GUT-монополем, залишає в навколишньому середовищі приблизно стільки ж енергії, скільки п’ять поділів ядер урану. Уявімо, що GUT-монополь потрапляє в надра астрономічного об’єкта — нейтронної зірки, коричневого карлика, планети-гіганта — і приймається знищувати, як тхір в курнику, що попалися йому на шляху протони (і з рівним успіхом нейтрони). Енергія, що виділилася, буде нагрівати навколишню його речовину і в кінцевому рахунку досягне поверхні світила. Якщо монополій всередині об’єкта досить багато, то додатковий нагрів, що не вкладається в звичайну модель, можна буде помітити. І навпаки, відсутність такого нагріву дозволяє встановити певне обмеження зверху на кількість GUT-монополій всередині об’єкта і взагалі у Всесвіті.

Один монополь на шість соток

У нашій Галактиці є великомасштабні магнітні поля. Вони в сотні тисяч разів слабші земного поля, але їх характерні розміри досягають тисяч світлових років. Магнітний заряд, що влетів у таке поле, буде забирати у нього енергію, розганяючись до великих швидкостей. У разі найважчих монополій рух визначається в основному гравітацією, і їх швидкість складе близько однієї тисячної швидкості світла (як і у Сонця та інших важких об’єктів, що вільно рухаються в гравітаційному полі Галактики), але більш легкі частинки магнітне поле здатне розігнати майже до швидкості світла. Якщо монополій багато, вони просто «з’їдять» магнітне поле Галактики. Так само велика кількість електрично заряджених частинок (електронів, протонів, іонів) у міжзоряному середовищі не дозволяє з’явитися в ній скільки-небудь істотному електричному полю.

Однак насправді ми бачимо, що магнітне поле нашої Галактики істотно не порушено. Значить, за час відновлення галактичного поля (близько 100 млн років) монополі не встигають відібрати у нього багато енергії. Існування галактичного магнітного поля дозволяє поставити верхнє обмеження на загальну кількість таких частинок; це обмеження називається межею Паркера. Воно приблизно відповідає такому потоку частинок: на стандартну дачну ділянку в шість соток за рік з космосу в середньому може впасти не більше одного монополя. Аналогічні оцінки, в яких використовуються параметри міжгалактичних полів, набагато слабших, ніж внутрішньомалактичні, дають ще більш жорсткі обмеження. Однак вони менш точні, оскільки ці поля недостатньо досліджені.

У космосі і на Землі

Магнітний заряд (як і електричний) повинен зберігатися. Це означає, що навіть якщо важкі монополи можуть розпадатися на більш легкі, то найлегшим діватися нікуди — вони будуть стабільними частинками. Відповідно, якщо створив монополі, їх не можна зовсім знищити (можна лише анігілювати «північний» монополь з «південним»). Тому, якщо колись і десь вони виникли, то вони практично вічні, і їх можна шукати на космічних просторах. Важкі монополи, передречені теоріями Великого об’єднання, могли народжуватися в ранньому Всесвіті. Доживши до наших днів, вони повинні борознити простори космосу, в тому числі і в нашій Галактиці.

Астрономічні спостереження допомагають встановити межі на кількість монополій у Всесвіті. По-перше, можна використовувати космологічні дані про кількість темної матерії у Всесвіті. Припущення, що вся темна матерія представлена монополіями (хоча вони — далеко не найкращий кандидат на цю роль у «зоопарку» гіпотетичних частинок), дає можливість отримати верхню межу на кількість цих частинок. Але навіть така проста оцінка вже виявляється корисною.

Монополи можуть входити і до складу космічних променів. Якщо вони там є, то шукати їх можна, досліджуючи в лабораторії місячний ґрунт або зразки речовини метеоритів, які мільярди років піддавалися бомбардуванню космічними променями. Цікавий, хоча і має ряд обмежень метод був заснований на дослідженні стародавніх мінералів, в яких за минулі геологічні епохи монополі повинні були б залишити свої сліди. Деякі ядра атомів володіють магнітним моментом, тобто являють собою мініатюрний магнітний діполь. Серед них широко поширені в земній корі ядра алюмінію-27. Вільний магнітний діполь завжди втягується в більш сильне магнітне поле, так що монополія, що пролітає повз у своїх справах, ризикує обзавестися супутником. Ядро алюмінію, протягнуте монополем крізь кристалічну решітку мінералу, залишить за собою слід важких руйнувань, який при відповідній обробці кристала може бути виявлений.

Потік монополій вкрай малий, але експозиція в цьому потоці тривалістю в сотні мільйонів років, якою можуть похвалитися деякі слюди, повинна була б дати трек мало не в кожному кубічному міліметрі кристала. Обмеження, отримане застосуванням цього методу, раз на сто суворіше межі Паркера, але для його обґрунтування необхідні деякі додаткові припущення.

Під землею, під водою, під льодом

Рухомий магнітний заряд наводить навколо себе кругове електричне поле, що взаємодіє з навколишніми електричними зарядами. Зокрема, воно може зривати електрони зі своїх орбіт в атомах. Отже, для детектування монополій можна використовувати всю групу іонізаційних методів, розроблених для детектування електрично заряджених частинок, — газові, сцинтиляційні, напівпровідникові, іскрові, методи травлення треків. Монополі Дірака володіють великим зарядом, тому викликають дуже високу іонізацію в речовині, причому, на відміну від електрично заряджених частинок, іонізація речовини монополіями майже не залежить від швидкості в широкому діапазоні енергій. Крім іонізації електричним полем, магнітний монополь здатний викликати в атомах специфічний магнітний ефект іонізації (ефект Дрелла), що не спостерігається для електрично заряджених частинок.

Один з найбільш чутливих експериментів, спрямованих на пошук важких магнітних монополій в космічних променях, використовував відразу кілька методів детектування, що дозволило знизити фон від паразитних подій. Експеримент MACRO (Monopole And Cosmic Ray Observatory) працював протягом низки років у підземній лабораторії Гран-Сассо в Італії, захищеній від космічних променів шаром гірських порід товщиною 1400 м. Для пошуку рідкісних частинок і подій потрібні величезні об’єми речовини — розміри детектора становили 77 ″ 12 9 м.

Іонізуючі частинки, що пролітають крізь детектор, створюють спалахи в шарах рідкого сцинтилятора — речовини, здатної перетворювати іонізаційний сигнал на світ, який збирається і аналізується відповідною електронікою. Крім того, між шарами знаходяться газові стримерні детектори, що дозволяють відокремити швидкі частинки (в основному залишкові космічні мюони, які зуміли пробитися крізь гору) від повільних (шуканих монополій). І нарешті, в експерименті використовувалися ядерні трекові детектори — шари спеціального пластику, який змінює свої хімічні властивості при проходженні через нього високоіонізуючої частинки. Подальше травлення пластику виявляє розчином руйнує його в області, де виділилася енергія, і робить видимим трек частинки — її шлях крізь пластик.

Відмінність в іонізаційних властивостях монополій і звичайних частинок дозволяє сильно придушити фон, відкидаючи події, несхожі на очікувані. Весь багаторічний експеримент не виявив жодної події, в якій можна було б запідозрити проходження крізь установку монополя. Натомість відсутність таких подій дозволила встановити експериментальний верхній кордон на потік космічних монополій у Галактиці.

Величезний заряд монополій дозволяє шукати їх за черенківським випромінюванням — світлом, що випускається часткою в прозорому середовищі (у воді, льоді тощо), коли швидкість частинки вище швидкості світла в цьому середовищі. Релятивістський монополь випускає майже в 7000 разів більше черенківського світла, ніж звичайна електрично заряджена частинка, що рухається з тією ж швидкістю. Такі події шукали за допомогою нейтринного телескопа NT200 (що складається з фотоумножителів, занурених під лід Байкалу) і в експерименті AMANDA, що працював в антарктичному льоду на Південному полюсі. Результат — нульовий.

Інфляція і монополі

Одна з важливих складових сучасних космологічних сценаріїв — так звана інфляційна модель. Її основна ідея полягає в тому, що на найбільш ранніх стадіях наш Всесвіт зазнав періоду швидкого роздування (інфляції). Однією з причин для створення цього сценарію була проблема монополій.

Справа в тому, що ранній Всесвіт був настільки гарячим, що в ньому легко могли виникати дуже масивні частинки, в тому числі і монополі. Якщо не приймати додаткових припущень, то їх було б дуже багато навколо нас, не менше, ніж атомів золота. Але до початку 1980-х років з експериментів вже було ясно, що монополі дуже рідкісні, і треба було придумати якийсь механізм, що призводить практично до повного зникнення таких реліктових частинок. Ідея надзвичайно проста. Щоб зробити щільність частинок маленькою, треба при збереженій кількості частинок різко збільшити займаний ними обсяг. Інфляція для цього ідеально підходить! Залишалося тільки вибрати параметри так, щоб монополи народжувалися до закінчення розширення Всесвіту. Таким чином, загадка монополій виявляється пов’язаною з теорією Великого вибуху.

Лабораторія

Маса монополія Дірака не може бути менше 60 ГЕВ. Такі енергії досяжні на сучасних колайдерах. Значить, монополі з такими масами можуть в них народжуватися, а потім застрягати в металевих деталях прискорювачів або мішеней. Тому можна просто розпиляти ті деталі, які самі по собі не є магнітними, і протягувати їх через кільце-детектор. Якщо в шматочку застряг монополь, кільце зреагує на нього. Так шукали монополі в експерименті Ye882 в «Фермілабі», а також у проекті HERA. Шукали монополі і на БАК в експерименті ATLAS.

Але можна вчинити цікавіше — потужним магнітом видирати застряглі монополі. Вилетівши з шматка металу, вони кинуться туди, куди їх направило магнітне поле. Експериментаторам залишається тільки зареєструвати ці частинки. Спосіб красивий, але поки результат нульовий.