Μαγνητικά Μονόπολα: Επιστήμονες στην αναζήτηση για την ανακάλυψη του «μαγνητικού μονόκερου»

Μια από τις βασικές σχολικές γνώσεις είναι διαφορετικότητα των άκρων ενός ευθύγραμμου μαγνήτη, η ύπαρξη του «βόρειου» και «νότιου» πόλου, αλλά και η γνώση ότι αυτοί οι δυο πόλοι δεν μπορούν να απομονωθούν. Όσες φορές ένας ευθύγραμμος μαγνήτης χωριστεί θα παράγονται πάντα δυο μικρότεροι μαγνήτες. Παρά την παρατηρησιακή εμπειρία, αλλά και παρά την μεταφορά της αιτιολόγησης σε ατομικό επίπεδο, τίθεται συνεχώς το ερώτημα αν θα μπορούσε να υπάρξουν χωριστά οι δυο πόλοι σε αναλογία με την ύπαρξη χωριστών φορτίων, των υποκειμένων των ηλεκτρικών αλληλεπιδράσεων. Παρόλο που αυτές οι υποθετικές οντότητες, που είναι γνωστές με ονομασία «μαγνητικά μονόπολα», δεν έχουν παρατηρηθεί, αποτελούν μια σημαντική πρόβλεψη σε διάφορες θεωρίες.

Όπως ένα ηλεκτρόνιο, ένα μαγνητικό μονόπολο θα μπορούσε να είναι ένα στοιχειώδες σωμάτιο. Παρόλο που δεν έχει παρατηρηθεί από κανέναν, ωστόσο πολλοί – ίσως οι περισσότεροι – είναι οι φυσικοί που λένε πως πιθανά τα μονόπολα υπάρχουν. «Οι δυνάμεις ηλεκτρική και μαγνητική είναι ακριβώς η ίδια δύναμη», λέει η Wendy Taylor, του Πανεπιστημίου York του Καναδά. «Τα πάντα θα μπορούσε να είναι τελείως συμμετρικά εάν υπήρχε ένα μαγνητικό μονόπολο. Υπάρχει ένα ισχυρό κίνητρο από την ομορφιά της συμμετρίας να αναμένουμε ότι αυτό το σωμάτιο υπάρχει».

Από τον Dirac προς το μέλλον

Συνδυάζοντας τις εργασίες πολλών άλλων, ο φυσικός του 19ου αιώνα James Clerk Maxwell έδειξε ότι ηλεκτρισμός και μαγνητισμός ήταν δυο όψεις του ίδιου πράγματος: της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης. Αλλά στις εξισώσεις του Maxwell, οι δυνάμεις ηλεκτρική και μαγνητική δεν ήταν αρκετά όμοιες. Η ηλεκτρική δύναμη είχε ξεχωριστά θετικά και αρνητικά φορτία. Η μαγνητική δύναμη όχι. Χωρίς χωριστούς (μονούς) πόλους – μονόπολα – η θεωρία του Maxwell έμοιαζε ασύμμετρη, πράγμα που τον ενοχλούσε. Ο ίδιος ο Maxwell σκέφτηκε και έγραψε πολλά σχετικά με το πρόβλημα της έλλειψης μαγνητικού φορτίου, αλλά το άφησε έξω από την τελική εκδοχή των εξισώσεών του.

Ο πρωτοπόρος της κβαντικής φυσικής, Paul Dirac, σήκωσε τον μανδύα του μονόπολου στις αρχές του 20ου αιώνα. Από τον καιρό του Dirac, ο φυσικοί ανακάλυψαν τα ηλεκτρόνια και προσδιόρισαν ότι ήταν αδιαίρετα σωμάτια, που φέρουν μια στοιχειώδη μονάδα του ηλεκτρικού φορτίου. Ο Dirac υπολόγισε την συμπεριφορά ενός ηλεκτρονίου σε μαγνητικό πεδίο ενός μονοπόλου. Χρησιμοποίησε τους κανόνες της κβαντικής φυσικής, που θεωρούν ότι ένα ηλεκτρόνιο ή οποιοδήποτε σωμάτιο συμπεριφέρεται επίσης και ως κύμα. Για ένα ηλεκτρόνιο τοποθετημένο κοντά σε ένα άλλο σωμάτιο – συμπεριλαμβανομένου και του μονόπολου – αυτοί οι κανόνες λένε ότι το κύμα του ηλεκτρόνιου πρέπει να περνά μέσω ενός ή περισσοτέρων ολοκληρωμένων κύκλων τυλίγοντας το άλλο σωμάτιο. Με άλλα λόγια, το κύμα πρέπει να έχει τουλάχιστον μια κορυφή και ένα κοίλωμα: όχι μισές κορυφές ή τέταρτα κοιλωμάτων.

Για ένα ηλεκτρόνιο με την παρουσία ενός πρωτονίου, αυτός ο κανόνας του κβαντικού κύματος εξηγεί τα χρώματα του φωτός που εκπέμπεται και απορροφάται από ένα άτομο υδρογόνου, το οποίο συγκροτείται από ένα ηλεκτρόνιο και ένα πρωτόνιο. Όμως ο Dirac βρήκε ότι το ηλεκτρόνιο θα μπορούσε να έχει την ορθή κυματική συμπεριφορά εάν το γινόμενο του μαγνητικού φορτίου του μονόπολου και του στοιχειώδους ηλεκτρικού φορτίου που φέρεται από ένα ηλεκτρόνιο ήταν ένας ακέραιος αριθμός. Αυτό σημαίνει ότι τα μονόπολα, όπως τα ηλεκτρόνια, είναι φορείς ενός στοιχειώδους αδιαίρετου φορτίου. Κάθε άλλο σωμάτιο που φέρει το στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο – πρωτόνια, ποζιτρόνια, μυόνια κλπ. – θα ακολουθούν τον ίδιο κανόνα.

Με ενδιαφέροντα τρόπο η λογική κινείται επίσης με άλλο τρόπο. Το αποτέλεσμα του Dirac λέει ότι εάν υπάρχει ένα απλός τύπος μονόπολου, ακόμη και αν αυτός ο τύπος είναι πολύ σπάνιος, εξηγεί μια πολύ σημαντική ιδιότητα της ύλης: γιατί τα ηλεκτρικά φορτισμένα σωμάτια φέρουν φορτία πολλαπλάσια του στοιχειώδους ηλεκτρικού φορτίου. (Τα κουάρκ φέρουν φορτίο κλασματικό – ένα τρίτο και δύο τρίτα – του στοιχειώδους φορτίου, αλλά πάντα συνδυάζονται για να διαμορφώσουν ακέραιο πολλαπλάσιο του ίδιου φορτίου). Και εάν υπάρχουν περισσότεροι από έναν τύποι μονόπολων, πρέπει να φέρουν ακέραια πολλαπλάσια του στοιχειώδους μαγνητικού φορτίου.

Ο «μαγνητικός μονόκερος»

Η ανακάλυψη του Dirac είχε ένα αληθοφανές επιχείρημα: Εάν τα μονόπολα υπήρχαν θα μπορούσαν να εξηγήσουν πολλά, αλλά τίποτε δεν θα κατέρρεε εάν δεν υπήρχαν. Από τον καιρό του Dirac, πολλές θεωρίες έκαναν προβλέψεις σχετικά με τις ιδιότητες των μαγνητικών μονόπολων. Οι Μεγάλες Ενοποιημένες Θεωρίες (ΜΕΘ) προβλέπουν ότι τα μονόπολα θα μπορούσαν να έχουν μάζα πάνω από 10 τετράκις εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από τη μάζα των πρωτονίων. Για να παραχθούν τέτοια σωμάτια θα απαιτούνταν περισσότερη ενέργεια από ότι οι γήινοι επιταχυντές μπορούν να φτάσουν, «αλλά είναι η ενέργεια που ήταν διαθέσιμη στην αρχή του σύμπαντος», είπε η Laura Patrizii του Ιταλικού Εθνικού Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής.

Ανιχνευτές κοσμικών ακτίνων στον πλανήτη ερευνούν για σημάδια αυτών των μονόπολων, που θα μπορούσαν να υπάρχουν ακόμη γύρω μας σήμερα, αλληλεπιδρώντα με μόρια στον αέρα. Το πείραμα MACRO (Monopole, Astrophysics and Cosmic Rays Observatory) στο Gran Sasso, στην Ιταλία, επίσης ερεύνησε για αρχέγονα μονόπολα και παρείχε τα καλύτερα όρια δυνατοτήτων που έχουμε σήμερα.

Ευτυχώς για τους επιστήμονες όπως οι Patrizii και Taylor, οι ΜΕΘ δεν είναι οι μόνες που προβλέπουν τα μονόπολα. Άλλες θεωρίες προβλέπουν μαγνητικά μονόπολα με χαμηλότερες μάζες που θα μπορούσε να είναι εφικτό να δημιουργηθούν στο LHC, στο CERN και βεβαίως το αρχικό μοντέλο του Dirac καθόλου δεν έθετε περιορισμούς μάζας στα μονόπολα. Αυτό σημαίνει ότι οι φυσικοί πρέπει να είναι ανοικτοί για την ανακάλυψη σωματίων που δεν είναι μέρος οποιασδήποτε υφιστάμενης θεωρίας.

Και οι δυο προαναφερθείσες επιστήμονες ερευνούν για μονόπολα που δημιουργούνται στο LHC, η Patrizii χρησιμοποιώντας τον ανιχνευτή MoEDAL και η Taylor χρησιμοποιώντας το ATLAS. «Προσωπικά θεωρώ ότι υπάρχουν πολλοί λόγοι για να πιστεύουμε ότι τα μονόπολα είναι εκεί έξω και αυτό που έχουμε να κάνουμε είναι να συνεχίσουμε την έρευνα», είπε η Taylor. «Τα μαγνητικά μονόπολα είναι πιθανώς τα αγαπημένα μου σωμάτια. Εάν ανακαλύψουμε τα μαγνητικά μονόπολα, [η ανακάλυψη θα είναι] της ίδιας κλίμακας όπως του σωμάτιου Higgs».

Πηγή: Symmetry Magazine (Σεπτεμβρίου 2016)