دنیای فیزیک در آستانه یافتن تک قطبی های مغناطیسی؟ - کنفرانس هکا

دو پیش مقاله از تیم بزرگی از دانشمندان گزارش داده است که آن ها هرچند نتوانسته اند تک قطبی های مغناطیسی را پیدا نمایند (فقط قطب مغناطیسی شمال یا جنوب، بدون وجود دیگری) اما محدوده وجود احتمالی تک قطبی های مغناطیسی را معین نموده اند.

به گزارش خبرنگاران ، این پیش مقاله ها که در سرور آرکایو منتشر شده اند حتی عجیب ترین ایده ها را هم موردآنالیز قرار داده اند، مثلا این که ممکن است سال ها پیش تک قطبی های مغناطیسی را ساخته باشیم و تصادفا به آن ها توجه ننموده باشیم. البته پیش مقاله ها هنوز موردآنالیز همتایان قرار نگرفته است.

تک قطبی مغناطیسی چیست؟

یکی از اولین درس های فیزیک دبیرستان آن است که آهنرباها همواره دو قطب مخالف دارند، یکی شمال و دیگری جنوب. اگر آهنربایی میله ای را به دو قسمت تقسیم کنید، قطب های جدیدی در نزدیکی شکاف ظاهر می شوند به طوری که هر آهنربای کوچک تر همچنان یکی از هر قطب را خواهد داشت. هرقدر که این شکاف را ریز و ریزتر کنید، باز به آهنربای ریزتری می رسید که یک قطب شمال و یک قطب جنوب دارد.

بااین حال، از قرن نوزدهم دانشمندان به این فکر می کردند که آیا راهی وجود دارد که یک قطب مغناطیسی منفرد (تک قطبی مغناطیسی) جدا و منفک از قطب مخالف دیگر وجود داشته باشد. این درحالی است که بارهای الکتریکی مثبت و منفی برای وجود خود، نیازی به وجود بار مخالف ندارند.

جیمز کلرک ماکسول، یکی از بنیان گذاران نظریه الکترومغناطیس فکر می کرد که مشکل تک قطبی مغناطیسی را برای همواره حل نموده است، اما چند دهه بعد، پل دیراک نشان داد که وجود تک قطبی می تواند کوانتیزه بودن بار الکتریکی را شرح دهد؛ و ازآنجایی که بار الکتریکی به شکل گسسته وجود دارد، پس بار (تک قطبی) مغناطیسی نیز باید کوانتیزه باشد و از واحدهایی به نام بار دیراک ساخته شده باشد که مقدار آن 68.5 برابر بار الکترون است. از آن روزگار به بعد، نظریه پردازان به شکل فزاینده ای نسبت به این ایده اطمینان پیدا نموده اند اما تجربی گرایان نتوانسته اند نشانه ای بر وجود تک قطبی مغناطیسی بیابند.

درواقع، تئوری تک قطبی آن قدر پیشرفته است که فیزیکدانان در حال حاضر کاملاً موافقند که آن ها احتمالاً وجود دارند؛ اما تأیید تک قطبی های مغناطیسی زیراتمی هنوز در هاله ای از ابهام است.

بیشتر تئوری های تک قطبی مغناطیسی نیازمند آن است که قوانین تقارن را نقض ننمایند. درنتیجه، نمی توان تعداد مازادی قطب شمال یا جنوب مغناطیسی در عالم داشت؛ تعداد هر دو باید برابر باشد اما برخلاف قطب های مغناطیسی شناخته شده، نیازی نیست که تک قطبی ها به هم اتصال داشته باشند.

چگونه تک قطبی مغناطیسی بسازیم؟

آزمایش آشکارساز تک قطبی و دیگر پدیده های غریب (MoEDAL) از سال 2012 به عنوان بخشی از آزمایش بزرگ برخورددهنده بزرگ هادرون به جست وجوی تک قطبی های مغناطیسی مشغول بوده است.

تک قطبی های مغناطیسی به روش های متعددی می توانند ساخته شوند. مثلا دانشمندان MoEDAL در پی نشانه هایی از فراوری تک قطبی از فوتون های مجازی هستند. فوتون های مجازی نیروی الکترومغناطیسی را بین دو حامل بار حمل می نمایند، اما به عنوان ذرات آزاد وجود ندارند.

فوتون های مجازی را می توان با کوبیدن ذرات با سرعت های بسیار بالا به یکدیگر ایجاد کرد. فیزیکدانان نظری دو راه را پیشنهاد نموده اند که از این طریق می توانند تک قطبی های مغناطیسی فراوری نمایند. یکی شامل ادغام دو فوتون مجازی است و دیگری که به فرآیند Drell-Yan معروف است، قادر به فراوری یک تک قطبی از یک فوتون مجازی است.

اگرچه ممکن است انتظار داشته باشیم برترین راه برای یافتن یک تک قطبی مغناطیسی به وسیله میدان مغناطیسی آن باشد، لزوماً این طور نیست. یکی از ویژگی های اساسی تک قطبی های نظری آن است که آن ها بار زیادی را حمل می نمایند. کشف چنین جسمی با بار الکتریکی بالا (HECO) نشان دهنده وجود فیزیک خارج از مدل استاندارد است و به طور خاص، سرنخ بزرگی برای تک قطبی های سرگردان باشد، هرچند می توان اجرام عجیب وغریب دیگری را نیز مانند بقایای ریزسیاهچاله های میکروسکوپی مسؤول چنین پدیده هایی دانست.

پژوهشگران آزمایش MoEDAL محدودیت های پایین تری را برای جرم یک تک قطبی معین می نمایند که می نویسند به مراتب قوی ترین موارد منتشرشده تا به امروز است. با انجام این کار، آن ها ادعا می نمایند که از آزمایش بسیار بزرگ تر ATLAS که از LHC برای همان هدف استفاده می کرد، فراتر رفته اند.

مکانیسم شوینگر

پیش چاپ دوم، جست وجوی متفاوتی را مبتنی بر مکانیسم نظری شوینگر توصیف می نماید. این مکانیسم زمانی رخ می دهد که یون های عناصر سنگین در طول اولین اجرای LHC به هم برخورد کردند. مکانیسم شوینگر، پیشنها می نماید که جریان الکتریکی یا مغناطیسی به مقدار کافی قوی می تواند ذراتی را از خلأ خلق کند. اگر تک قطبی ها ذراتی مرکب باشند، مکانیسم شوینگر می تواند نخستین و برترین راه برای مشاهده آن ها باشد.

پژوهشگران در این روش به آنالیز این ایده پرداختند که آیا ممکن است تک قطبی ها در حین آزمایش سرن، ایجاد شده باشند ولی در جایی از LHC به دام افتاده و نادیده گرفته شده باشند. هرچند نشانه ای بر درستی این ایده یافت نشد، اما فیزیکدانان به این نتیجه رسیدند که برای ساختن یک تک قطبی مغناطیسی، انرژی زیادی ضروری است؛ به طوری که با اطمینان 95 درصد می توان گفت که جرم آن ها باید بیش از 80 میلیارد الکترون ولت (80GeV) باشد.

صدالبته که این یافته ها، بسیاری از فیزیکدانان نظری را شگفت زده نخواهد کرد. تک قطبی های مغناطیسی راه را برای دستیابی به نظریه های یکپارچه بزرگ هموار خواهند کرد، نظریاتی که در پی سازگار کردن مکانیک کوانتومی با گرانش هستند. بر اساس رهیافت های نظریه یکپارچه بزرگ، تک قطبی های مغناطیسی می بایست جرم های بزرگی از مرتبه هزاران میلیارد الکترون ولت داشته باشند و بار آن ها دست کم 2 یا 3 برابر بار پلانک خواهد بود.

منبع:iflscience

5454