Magnetisk monopol

Magnetisk monopol
Deltager i interaktioner Gravitationel [1] , elektromagnetisk
Status Hypotetisk
Hvem eller hvad er opkaldt efter Ikke-nul magnetisk ladning  - en punktkilde til et radialt magnetfelt
kvantetal

Magnetisk monopol  - en hypotetisk elementær partikel med en ikke-nul magnetisk ladning  - en punktkilde til et radialt magnetfelt . En magnetisk ladning er en kilde til et statisk magnetfelt på nøjagtig samme måde, som en elektrisk ladning er en kilde til et statisk elektrisk felt .

En magnetisk monopol kan opfattes som en enkelt pol af en lang og tynd permanentmagnet . Alle kendte magneter har dog altid to poler, det vil sige, at det er en dipol . Hvis du skærer en magnet i to dele, vil hver del stadig have to poler. Alle kendte elementarpartikler, der har et elektromagnetisk felt , er magnetiske dipoler.

Historie

Med skabelsen af ​​fysik som en videnskab baseret på erfaring, blev den opfattelse fastslået, at de elektriske og magnetiske egenskaber af legemer adskiller sig væsentligt. Denne mening blev klart udtrykt af William Gilbert i 1600 . Identiteten af ​​lovene om tiltrækning og frastødning for elektriske ladninger og magnetiske ladninger, magneternes poler, etableret af Charles Coulomb , rejste igen spørgsmålet om ligheden mellem elektriske og magnetiske kræfter, men i slutningen af ​​det 18. århundrede blev det fundet . at det under laboratorieforhold var umuligt at skabe et legeme med en total magnetisk ladning, der ikke er nul. Begrebet "magnetisk ladet stof" blev forvist fra fysikken i lang tid efter Ampères arbejde i 1820 , hvor det blev bevist, at et kredsløb med en elektrisk strøm skaber det samme magnetfelt som en magnetisk dipol.

I 1894 udtalte Pierre Curie i en kort note [2] at indførelsen af ​​magnetiske ladninger i Maxwells ligninger er naturlig og kun gør dem mere symmetriske.

Symmetri af Maxwells ligninger

Den klassiske elektrodynamiks ligninger formuleret af Maxwell relaterer elektriske og magnetiske felter til bevægelsen af ​​ladede partikler. Disse ligninger er næsten symmetriske med hensyn til elektricitet og magnetisme. De kan gøres fuldstændig symmetriske, hvis der udover elektrisk ladning og strøm indføres en vis magnetisk ladning (magnetisk ladningstæthed ) og magnetisk strøm (magnetisk strømtæthed ):

Maxwells ligninger og Lorentz-kraften med magnetiske monopoler: Gaussiske enheder
Navn Uden magnetiske monopoler Med magnetiske monopoler
Gauss sætning
Gauss magnetiske lov
Faradays lov om induktion
Ampères lov (med bias current )
Lorentz kraft [3]
Maxwells ligninger og Lorentz-kraften med magnetiske monopoler: SI-enheder
Navn Uden magnetiske monopoler Med magnetiske monopoler (Weber-konventionen) Med magnetiske monopoler (amperemålerkonvention)
Gauss' sætning :
Gauss magnetiske lov
Faradays lov om induktion :
Ampères lov (med bias current ):
Lorentz kraft

I dette tilfælde bliver de modificerede ligninger med magnetiske monopoler til klassiske ligninger, når og substitueres , det vil sige, hvis der ikke er magnetiske ladninger i det betragtede område af rummet. Det er således muligt at skabe et system af Maxwells ligninger, under hensyntagen til eksistensen af ​​magnetiske ladninger, mens de klassiske ligninger blot afspejler det faktum, at der normalt ikke observeres magnetiske ladninger.

Hvis der eksisterer magnetiske ladninger, vil eksistensen af ​​magnetiske strømme føre til betydelige korrektioner til Maxwells ligninger , som kan observeres på makroskopiske skalaer.

I den nye form for Maxwells ligninger opstår der vanskeligheder i den matematiske beskrivelse ved hjælp af vektorpotentialet. I nærvær af både magnetiske og elektriske ladninger kan det elektromagnetiske felt ikke beskrives ved hjælp af et vektorpotentiale , der er kontinuerligt i hele rummet. Derfor, i nærvær af magnetiske ladninger, er bevægelsesligningerne for ladede partikler ikke afledt af variationsprincippet om mindste handling . I klassisk elektrodynamik fører dette ikke til fundamentale vanskeligheder (selvom det gør teorien noget mindre smuk), men kvantedynamik kan ikke formuleres uden for rammerne af den Hamiltonske eller Lagrangianske formalisme.

Dirac monopol

Paul Dirac foreslog eksistensen af ​​en partikel med en magnetisk ladning og kom til den ikke-trivielle konklusion, at den magnetiske ladning af den foreslåede monopol ikke kan have en vilkårlig værdi, men skal være lig med et heltal af en vis mængde magnetisme. [fire]

Problemet med at bestemme vektorpotentialet , der giver magnetfeltet, svarer matematisk til problemet med at bestemme systemet af strømme , der skaber magnetfeltet . Fra et punkt, der udsender en konstant flux af et magnetfelt, skal en konstant strøm med ensartet tæthed i alle retninger flyde. For at opretholde det er det nødvendigt at bringe en strøm gennem en ledende tråd til dette punkt, svarende til strømmen, der udgår fra dette punkt i alle retninger, og styrken af ​​denne strøm er lig med den magnetiske ladning . [5] Da placeringen af ​​en sådan tråd er fuldstændig vilkårlig, er forskellen i vektorpotentialer lig med det magnetiske felt skabt af strømmen, der flyder til punktet langs den ene tråd og løber langs den anden tråd. Et sådant magnetfelt kan repræsenteres som et potentiale med flere værdier, hvis værdi på hvert punkt i rummet ændres med hver bypass af kredsløbet forbundet med tråden med størrelsen af ​​strømmen ganget med . Man ved fra kvantemekanikken, at den bølgefunktion, der kendetegner en partikel med en ladning, når den skifter som . Når du krydser konturen . Men når man går rundt om konturen, bør bølgefunktionen derfor ikke ændre sig . Et komplekst tal er lig med én, hvis det er repræsenteret som , hvor  er et vilkårligt heltal. Derfor: , hvor  er et heltal. Den magnetiske ladning af partiklen skal således være et multiplum af den elementære magnetiske ladning , hvor  er den elementære elektriske ladning . [6]

Det omvendte udsagn er bemærkelsesværdigt: eksistensen af ​​en magnetisk ladning modsiger ikke standard kvantemekanik kun, hvis de elektriske ladninger af alle partikler er kvantificeret. (Således ville eksistensen i naturen af ​​mindst én magnetisk monopol med en vis ladning forklare den eksperimentelt observerede mangfoldighed af elektriske ladninger af partikler med værdien ; den magnetiske ladning ville også nødvendigvis blive kvantiseret.)

Dirac-kvantiseringstilstanden er generaliseret til interaktionen mellem to partikler, som hver har både en elektrisk og en magnetisk ladning (sådanne partikler kaldes dyoner )

(I systemet af brugte enheder og har samme dimension, og ladningen er fastsat af relationen .)

I den ikke-relativistiske tilnærmelse er kraften, der virker på dyon 1 med koordinater og hastighed fra dyon 2, fastsat ved origo, lig med

Bemærk, at kombinationerne af ladninger inkluderet i denne formel er invariante under den dobbelte transformation .

Hooft-Polyakov-modellen

I 1974 opdagede Alexander Polyakov og Gerard Hoft uafhængigt [7] , at eksistensen af ​​en magnetisk monopol ikke kun er mulig, men obligatorisk i en bestemt klasse af feltteorier. I store forenede modeller , der betragter symmetrien under fasetransformationer af ladede partiklers bølgefunktioner som en integreret del af en bredere ikke-abelsk gaugesymmetri, er det elektromagnetiske felt forbundet med en multiplet af ladede målefelter med store masser (disse masser opstå fra spontan symmetribrud ). For nogle målersymmetrigrupper er der stabile feltkonfigurationer, der er lokaliseret i et område af størrelse og skaber et sfærisk symmetrisk magnetfelt uden for dette område. Eksistensen af ​​sådanne konfigurationer afhænger af målergruppens topologiske egenskaber, mere præcist af, hvordan undergruppen af ​​symmetri bevaret efter spontan brud er indlejret i den. Stabiliteten af ​​disse magnetiske monopoler er bestemt af felternes særlige opførsel i store afstande fra centrum. Massen af ​​den magnetiske monopol kan beregnes, det afhænger af den specifikke feltmodel, men under alle omstændigheder skal den være stor (ifølge estimater for en bred klasse af modeller ). Disse magnetiske monopoler kunne blive født i det varme univers kort efter Big Bang under en faseovergang forbundet med spontan symmetribrud og fremkomsten af ​​ikke-nul ensartede skalarfelter i vakuum. Antallet af genererede magnetiske monopoler bestemmes af processen med udviklingen af ​​universet på et tidligt stadium, derfor kan man bedømme denne proces ved deres fravær på nuværende tidspunkt. En af forklaringerne på, at relikviemagnetiske monopoler ikke er blevet opdaget, er givet af teorien om det ekspanderende univers (inflation). Hooft-Polyakov magnetiske monopoler har nogle usædvanlige egenskaber, der ville gøre dem nemme at opdage. Især kan interaktionen med en magnetisk monopol stimulere henfaldet af nukleonet forudsagt af nogle store foreningsmodeller [8] , dvs. fungere som en katalysator for et sådant henfald.

Grundlæggende fysiske egenskaber

Ladningen af ​​en magnetisk monopol

Dimensionen af ​​ladningen af ​​den magnetiske monopol falder sammen med dimensionen af ​​den elektriske ladning i CGS -systemet :

hvor  er lysets hastighed i vakuum,  er Dirac-konstanten og  er den elementære ladning .

I SI -systemet er dimensionerne af magnetiske og elektriske ladninger forskellige ( Webers konvention[ ryd ] ):

hvor  er Plancks konstant .

Amperemålerkonvention[ afklare ] ( SI ):

Monopol koblingskonstant

Det er kendt, at elektriske ladninger har en ret lille koblingskonstant (den såkaldte finstrukturkonstant ). I GHS-systemet har det følgende betydning:

I SI har vi et mere besværligt udtryk:

hvor  er den elektriske konstant .

På samme måde kan man introducere den magnetiske koblingskonstant for CGS-systemet:

For SI finder udtrykket sted:

 - Weber-konventionen:  - amperemålerkonvention:

hvor  er den magnetiske vakuumkonstant . Det skal her bemærkes, at den magnetiske konstant er meget større end enhed, og derfor er brugen af ​​forstyrrende metoder i kvanteelektrodynamik til magnetiske ladninger ikke mulig.

Monopol masse

Diracs teori forudsiger ikke "massen af ​​den magnetiske monopol". Derfor er der på nuværende tidspunkt ingen konsensus om estimat af monopolmassen (forsøget angiver kun den nedre grænse). Det kan også bemærkes her, at værdien af ​​elektronmassen er et rent eksperimentelt faktum og ikke forudsiges af standardmodellen .

Nedre grænse for massen af ​​en monopol

Det lavere estimat for monopolmassen kan estimeres baseret på den klassiske elektronradius (SI-system):

hvor  er Compton-bølgelængden af ​​elektronen,  er elektronens masse.

På samme måde kan du indtaste en værdi for den klassiske radius af den magnetiske monopol (SI-system (Weber-konvention)):

hvor  er monopolens masse. Ved at sidestille de klassiske radier kan man således opnå en nedre grænse for monopolmassen:


Forsøg på at finde en monopol

Gentagne forsøg på eksperimentelt at opdage den magnetiske monopol var mislykkede. Særligt intensive søgninger efter en magnetisk monopol af kosmisk oprindelse er blevet udført siden begyndelsen af ​​1980'erne. Eksperimenter kan opdeles i flere grupper.

  1. En magnetisk monopol kan detekteres direkte fra dens tilhørende magnetiske flux . Passagen af ​​en magnetisk ladning gennem et superledende kredsløb vil ændre fluxen til , hvor  er et magnetisk fluxkvante , og fænomenet elektromagnetisk induktion vil føre til et strømspring i kredsløbet, som kan måles ved hjælp af et superledende kvanteinterferometer (den såkaldt " SQUID " - SQUID , engelsk superledende kvanteinterferensdetektor ). Ifølge teoretiske skøn er tætheden af ​​monopoler så lav, at en monopol om året flyver gennem en enhed: i gennemsnit falder en monopol på 10 29 nukleoner . Selvom der er blevet registreret opmuntrende begivenheder, især Blas Cabrera-begivenheden natten til den 14. februar 1982 [9] (nogle gange spøgefuldt omtalt som " valentinsdag- monopolen "), er disse eksperimenter ikke blevet gentaget, og eksistensmonopolerne var ikke etableret. 
  2. En tung magnetisk monopol skal have en høj gennemtrængningsevne og skabe stærk ionisering på sin vej . For at søge efter en magnetisk monopol blev der derfor brugt underjordiske detektorer, bygget til at studere kosmiske neutrinofluxer og søge efter protonhenfald . Sandsynligheden for, at en forbipasserende monopol vil producere en foton i detektoren er en aftagende funktion af dens masse. Nylige eksperimenter ved Tevatron [10] har vist, at spin- afhængige monopoler med masser mindre end 600 og 900 GeV ikke eksisterer, mens den øvre grænse for deres masse er 10 17 GeV.
  3. Der blev også foretaget søgninger efter magnetiske monopoler fanget i magnetiske malme af terrestrisk og udenjordisk ( meteoritter , Månen ) oprindelse [11] samt spor efterladt af dem i glimmer indeholdt i gamle terrestriske klipper. Eksperimenter blev også oprettet for at detektere processerne til oprettelse af magnetiske monopoler under kollisioner af højenergipartikler ved acceleratorer, men masserne af sådanne magnetiske monopoler er naturligvis begrænset af den energi, der er tilgængelig ved moderne acceleratorer. Den stærkeste begrænsning på det mulige antal magnetiske monopoler i det ydre rum er givet af overvejelser relateret til tilstedeværelsen af ​​galaktiske magnetiske felter, da monopolerne ville accelerere i disse felter og derved fjerne energi fra deres kilder, hvilket ville føre til en svækkelse af markerne med tiden. Det numeriske skøn over denne begrænsning afhænger af en række antagelser, men fluxen af ​​kosmiske magnetiske monopoler i en enhedsrumvinkel kan næppe overstige 10 −12 m −2 sr −1 .

Fra september til december 2012 fandt den første fuldskalaoperation af detektoren af ​​Large Hadron Collider MoEDAL sted ved en kollisionsenergi på 8 TeV og en lysstyrke på 0,75 mia −1 . Resultatet af søgningen efter magnetiske monopoler er negativt, men afhængigt af størrelsen af ​​den (magnetiske) ladning og masse (og den blev scannet i området fra 100 GeV til 3,5 TeV), var tværsnittet begrænset fra snesevis af femtobarn til snesevis af picobarn [12] .

I 2015 søgte detektoren af ​​Large Hadron Collider MoEDAL efter magnetiske monopoler ved en kollisionsenergi på 13 TeV. Der blev ikke fundet spor af magnetiske monopoler med en masse op til 6 TeV og en magnetisk ladning op til 5 Dirac-enheder, spørgsmålet om deres eksistens forblev åbent [13] .

Magnetiske "kvasimonopoler"

I nogle systemer i det kondenserede stofs fysik kan der være strukturer, der ligner en magnetisk monopol - magnetiske fluxrør ( engelsk  fluxrør ). Enderne af magnetrøret danner en magnetisk dipol, men da deres bevægelse er uafhængig, kan de i mange tilfælde tilnærmelsesvis betragtes som uafhængige monopol-kvasi-partikler.

I september 2009 annoncerede flere uafhængige forskergrupper på én gang opdagelsen i et fast legeme ( spinis fra dysprosiumtitanat Dy 2 Ti 2 O 7 ) af kvasipartikler, der imiterer magnetiske monopoler (det vil sige, at de ligner monopoler i afstande, der væsentligt overstiger krystallen). gitterkonstant) [14] . I nogle medier og populærvidenskabelige publikationer blev denne observation præsenteret som opdagelsen af ​​magnetiske monopoler [15] [16] .

Disse fænomener er dog ikke relaterede [17] og ifølge en rapport i Physics World [18] adskiller de magnetiske monopoler fundet i "spin ice" sig i deres oprindelse fra de fundamentale monopoler forudsagt af Diracs teori.

De opdagede "monopoler" er kvasipartikler (de magnetiske kraftlinjer, der kommer ind i en af ​​sådanne kvasipartikler, forbliver lukkede og passerer gennem en tynd "ledning", der forbinder to sådanne kvasipartikler, som hver i denne forstand ikke repræsenterer en isoleret magnetisk ladning), og ikke elementarpartikler , så denne opdagelse revolutionerede ikke elementarpartikelfysikken . Ikke desto mindre er "kvasi-monopoler" interessante i sig selv og er genstand for intensiv forskning. Teoretisk set kan sådanne formationer eksistere ikke kun i spin-is, men også i et Bose-Einstein-kondensat . De blev opdaget af en gruppe videnskabsmænd fra Boston. De simulerede på en computer en meget kold sky af Bose-gasatomer. De skabte en hvirvel ud af det og fik noget, der ligner Diracs monopol, men det er det ikke. Så var de i stand til at skabe sådan en hvirvel i et eksperiment [19] . I januar 2014 lykkedes det forskere fra USA og Finland at skabe og fotografere en "magnetisk monopol" af samme type [20] .

Se også

Noter

  1. Den fantastiske verden inde i atomkernen. Spørgsmål efter foredraget Arkiveret 15. juli 2015 på Wayback Machine , FIAN, 11. september 2007
  2. Pierre Curie. Sur la possibilité d'existence de la conductibilité magnétique et du magnétisme libre  (fransk)  // Séances de la Société Française de Physique. - Paris, 1894. - S. 76-77 .
  3. Rindler, Wolfgang (november 1989). "Relativitet og elektromagnetisme: Kraften på en magnetisk monopol". American Journal of Physics . 57 (11): 993-994. Bibcode : 1989AmJPh..57..993R . DOI : 10.1119/1.15782 .
  4. Fermi, 1952 , s. 115.
  5. Fermi, 1952 , s. 117.
  6. Fermi, 1952 , s. 118.
  7. Polyakov A. M. Spektret af partikler i kvantefeltteorien . - M., Breve til ZhETF, 1974, v. 20, ca. 6, s. 430-433.
  8. Curtis G. Callan, Jr. Dyon-fermion dynamik  (engelsk)  // Phys. Rev. D  : dagbog. - 1982. - Bd. 26 , nr. 8 . - S. 2058-2068 . - doi : 10.1103/PhysRevD.26.2058 .
  9. Blas Cabrera. Første resultater fra en superledende detektor til bevægelige magnetiske monopoler   // Fysisk . Rev. Lett.  : journal. - 1982. - Bd. 48 , nr. 20 . - S. 1378-1381 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.48.1378 .
  10. XVI-møde om ladede partikelacceleratorer Arkiveret 13. september 2009 på Wayback Machine Institute for High Energy Physics.
  11. Strazhev, Tomilchik.
  12. De første resultater af MoEDAL-eksperimentet er offentliggjort . Hentet 19. februar 2017. Arkiveret fra originalen 20. februar 2017.
  13. Magnetiske monopoler er ikke synlige selv ved 13 TeV Arkiveret 19. februar 2017 på Wayback Machine .
  14. Magnetisk monopol tager de første skridt Arkiveret 20. maj 2017 på Wayback Machine .
  15. Eksistensen af ​​magnetiske monopoler er blevet eksperimentelt bekræftet . Arkiveret 19. februar 2011 på Wayback Machine . Kompulent.
  16. Magnetisk monopol dukkede op for videnskabsmænd i spin ice Arkiveret 4. januar 2017 på Wayback Machine . Membrana.ru.
  17. Magnetiske monopoler spottet i spin ices Arkiveret 19. juli 2019 på Wayback Machine , 3. september 2009. "Oleg Chernyshev, en forsker ved Johns Hopkins University, understreger, at denne teori og eksperimenter er specifikke for spin-is og sandsynligvis ikke vil kaste lys over magnetiske monopoler forudsagt af Dirac.
  18. Magnetiske monopoler opdaget i spin ices Arkiveret 19. juli 2019 på Wayback Machine  . physicsworld.com.
  19. Kvantesky simulerer magnetisk monopol Arkiveret 31. januar 2014 på Wayback Machine . naturnyheder.
  20. Forskere skaber magnet med én pol Arkiveret 1. februar 2014 på Wayback Machine .

Litteratur

Links