Магнітні монополі: чи існують вони?
- Ігор Сальниченко
- 7 вер.
- Читати 20 хв
Вступ. Ідея магнітного монополя – гіпотетичної частинки, яка має лише один полюс магніту (північний або південний), – вже понад століття хвилює уяву фізиків. Ще наприкінці XIX століття французький науковець П’єр Кюрі (1859–1906) припускав, що такі об’єкти можуть існувати в природі[1], попри те, що їх досі не виявлено експериментально. Класичні закони Максвелла формулюють закон Гауса для магнетизму у вигляді ∇·B= 0 – тобто відсутності ізольованих магнітних зарядів.
Однак ця математична умова не є суворо обов’язковою з точки зору симетрії теорії. Якщо дозволити існування «магнітного заряду» ρₘ і відповідного струму jₘ, рівняння Максвелла можна записати у повністю симетричній формі – в якій, зокрема, дивергенція магнітного поля B пропорційна ρₘ, тобто ∇·B ≠ 0[2]. Таким чином, з погляду фундаментальних симетрій електромагнетизму існування магнітних монополів не суперечить базовим рівнянням – навпаки, воно зробило б їх ще симетричнішими.
Залишається головне питання: чи існують магнітні монополі насправді? У цій статті ми розглянемо історію виникнення цієї гіпотези, теоретичні передумови існування монополів та їх роль у квантуванні заряду, математичний опис монополя, спроби експериментального пошуку – від космічних променів до Великого адронного колайдера – а також сучасний стан досліджень і можливі наслідки відкриття монополя для науки.
Історія гіпотези: від П’єра Кюрі до Пола Дірака
Першим ученим, що висловив припущення про можливе існування ізольованого магнітного полюса, був П’єр Кюрі. У 1894 році він зазначив, що відсутність монополів є, по суті, єдиною “вадою” симетрії рівнянь електромагнетизму, і не бачив фундаментальних причин, чому б монополі не могли існувати[1]. Втім, на межі XIX–XX століть експериментальних натяків на такі об’єкти не було, і тема лишалася радше філософською гіпотезою. Лише з розвитком квантової фізики з’явилися справді серйозні теоретичні обґрунтування.
У 1931 році англійський фізик Поль Дірак (1902–1984) вперше показав, що введення магнітного монополя в квантову теорію поля приводить до глибокого наслідку: всі електричні заряди мусять бути квантовані[2]. Дірак розглянув рух електрично зарядженої частинки у полі гіпотетичного монополя і виявив, що для уникнення фізичних абсурдів (таких як спостережуваний «кінчик» силової лінії магнітного поля, т.зв. струни Дірака) значення електричного заряду e і магнітного заряду g мають бути пов’язані співвідношенням (в сучасних позначеннях)
e g = Nℏc²
де N – ціле число[1]. Ця умова квантування Дірака означає, що якщо у Всесвіті існує хоча б один магнітний монополь із зарядом g, то всі електричні заряди e автоматично набувають дискретних значень, кратних деякій мінімальній величині[2][1]. Саме таку картину ми й спостерігаємо в реальності – наприклад, заряд електрона точно дорівнює (за знаком протилежному) заряду протона, і всі заряди кратні елементарному квантові e. Дірак не просто пояснив цю загадку – він також зробив сміливий прогноз: існування магнітних монополів у природі є цілком можливим, ба більше, їх наявність надала б електромагнетизму нової цілісності. Монополь у його уявленні – це кінець дуже тонкої і довгої магнітної нитки (т.зв. “струни Дірака”), яка математично допускається теорією, але фізично мала б залишатися невидимою, якщо виконується наведена умова квантування[1].
Відтоді проблема монополів привернула увагу фізиків у всьому світі. У другій половині XX ст. висунули ще кілька важливих ідей. Зокрема, американський фізик Джуліан Швінгер (1918–1994) у 1969 році запропонував існування гіпотетичних частинок діонів, які несли б одночасно електричний і магнітний заряд. Хоча діони так і не були знайдені, ця ідея розширила можливі схеми квантування зарядів. Теоретичні дослідження монополів тривали, але справжній прорив стався в 1974 році, коли відразу дві групи вчених – під керівництвом нідерландського теоретика Герарда ’т Гофта (нар. 1946) та радянського фізика Олександра Полякова (нар. 1945) – незалежно один від одного виявили, що монополь природно виникає в рамках розширеної теорії поля. Вони дослідили так звані моделі Великого Об’єднання – спроби об’єднати електромагнітну, слабку і сильну взаємодії в єдину gauge-теорію – і показали, що така теорія обов’язково передбачає існування стабільного збудження, яке має властивості магнітного монополя[3].
Зокрема, у роботі ’т Гофта «Магнітні монополі в об’єднаних калібрувальних теоріях» (1974) було описано топологічне рішення рівнянь поля, яке відповідає ізольованому магнітному заряду[3]. Це рішення було розв’язком для поля Янга–Міллса з механізмом спонтанного порушення симетрії, і відоме зараз як монополь ’т Гофта – Полякова. Важливо, що цей теоретичний монополь є солітоном – тобто скінченної енергії конфігурацією поля, існування якої гарантує топологія вакууму теорії. На відміну від точки-монополя Дірака (що вимагала нескінчено довгої «струни»), монополь ’т Гофта–Полякова не має сингулярностей та «пришитих» ниток: його поля плавно затухають на великих відстанях як B ~ g∕4πr²(аналогічно до електричного поля точкового заряду) і утворюють однополюсний конфігураційний стан.
Таким чином, до кінця 1970-х років ідея магнітних монополів з екзотичної гіпотези перетворилася на серйозний теоретичний прогноз. Ба більше, у наступні десятиліття монополі стали невід’ємною частиною багатьох розвинених теорій – від космологічних сценаріїв раннього Всесвіту до суперсиметричних моделей. Відомий американський фізик-теоретик Джозеф Полчінський (1954–2018), один з творців теорії струн, у 2004 році назвав існування магнітних монополів «однією з найбезпечніших ставок щодо фізики, яку ще не відкрито»[2][1]. Іншими словами, багато хто з наукової спільноти вважає, що монополь рано чи пізно буде знайдено – питання лише де і за яких умов.
Магнітні монополі в теорії поля: квантові симетрії та Велике Об’єднання
Квантова теорія поля дає природний каркас для опису монополів. Як вже зазначено, введення монополя робить рівняння електромагнетизму симетричними відносно дуальності «електричне–магнітне» – кожне електричне рівняння отримує магнітний аналог. Формально це виглядає як уведення до рівнянь Максвелла додаткових членів: густини магнітного заряду ρₘ та струму jₘ [2]. Наприклад, розширена форма закону Гауса для магнітного поля могла б бути записана як ∇·B = μ₀ ρₘ (в СІ-одиницях) або ∇·B = 4π ρₘ (в гаусовій системі). Наявність ρₘ ≠ 0 порушує класичну заборону ∇·B=0, і тим самим дозволяє існувати точковому джерелу магнітного поля – монополю. У рівняння Фарадея і Ампера також додаються симетричні доданки, що враховують магнітні заряди і струми. Додамо, що магнітний заряд не обов’язково має бути елементарною частинкою – з точки зору теорії поля монополь може бути складною конфігурацією взаємодіючих полів, яка виглядає іззовні як точкове джерело магнітного поля. Саме такий підхід реалізовано в моделі ’т Гофта–Полякова: магнітний монополь там – це колективне збудження калібрувального поля і скалярного поля Хіггса, стабілізоване топологічно.
Калібрувальні симетрії та їх спонтанне порушення стали ключем до розуміння, чому монополі могли залишатися невловимими. Теорії Великого Об’єднання (Grand Unified Theory, GUT), розроблені у 1970-х, постулювали єдину симетричну групу (наприклад, SU(5) або SO(10)), яка при високих енергіях об’єднує всі відомі взаємодії, а при охолодженні Всесвіту спонтанно порушується до менш симетричних груп (таких як SU(3)×SU(2)×U(1) Стандартної Моделі). У 1974 році Говард Георгі (нар. 1947) і Шелдон Глашоу (нар. 1932) запропонували модель SU(5) – першу теорію Великого Об’єднання. Невдовзі після цього і було усвідомлено, що в таких теоріях неминуче виникатимуть монопольні стани. Причина в тому, що при порушенні симетрії вакуум набуває складної топології: між різними «шматками» вакууму можуть залишатися дефекти, аналогічні магнітним монополям. Оціночна маса таких GUT-монополів надзвичайно велика: порядку маси шкали Великого Об’єднання, тобто ≈10¹⁶ ГеВ[3].
Це у трильйони разів більше, ніж маси протона, тому народження таких об’єктів у сучасному Всесвіті практично неможливе (жоден існуючий чи планований прискорювач не може досягти такої енергії). Більше того, якщо Всесвіт пройшов через фазу Великого Об’єднання в перші миті після Великого вибуху, мало б утворитися дуже багато важких монополів. За стандартними космологічними розрахунками, вони б «засмітили» простір настільки, що домінували б у масі Всесвіту – що явно не узгоджується з реальністю. Цю невідповідність назвали проблемою монополя. Рішення прийшло з розвитком космологічної моделі інфляції: якщо ранній Всесвіт пережив період стрімкого експоненційного розширення, то первинна концентрація GUT-монополів розріджується до вкрай малої щільності[2]. Таким чином, інфляція «рятує» теорію від надлишку монополів, водночас роблячи їх надзвичайно рідкісними в сучасну епоху.
Суперсиметрія та теорія струн також інтегрували поняття монополів у свої структури. У 1977 році фізики Клаус Монтонен (нар. 1946) і Девід Олів (1937–2012) сформулювали гіпотезу електромагнітної дуальності, відому нині як дуальність Монтонена–Оліва. Вони припустили, що в певній теорії (пізніше з’ясувалося, що йдеться про N=4 суперкалібрувальну теорію Янга–Міллса) електрично заряджені частинки та магнітні монопольні солітони можуть виявитися двома різними проявами однієї глибшої сутності[2]. Простими словами, ця дуальність міняє місцями ролі електричного заряду і магнітного, перетворюючи, умовно, електрони на монополі, а монополі – на нові зв’язані стани, і навпаки. Подібна ідея отримала подальший розвиток у теорії струн, де так звана S-дуальність об’єднує сильновзаємодіючі та слабковзаємодіючі режими теорії.
Монополь у цих підходах уже не є «зайвою» вигадкою – він стає необхідним елементом математичної картини, який забезпечує самодуальність рівнянь. Полчінський та інші струнники виявили, що у багатовимірних теоріях (M-теорії) існують об’єкти, відомі як D-брани, на яких можуть закінчуватися силові лінії електромагнітного поля – фактично, такі брани поводяться як магнітні монопольні об’єкти в нашому 4-вимірному просторі[1]. Таким чином, супертсиметричні і струнні моделі майже напевно вимагають існування магнітних монополів або аналогічних до них утворень. Це додає ваги вислову Полчінського про «безпечну ставку»: монополь настільки глибоко вплетений у тканину сучасних теорій, що відсутність його в природі стала б серйозною загадкою.
Квантування електричного заряду та роль монополів
Одним з головних аргументів на користь існування монополів є саме квантування заряду. Історично спостереження показують, що заряд будь-якої частинки – це кратне значення відомого елементарного заряду e(заряду електрона за модулем). Наприклад, протон має +e, електрон – –e, альфа-частинка +2e, і так далі. Жодного дробового електричного заряду (окрім тих, що приховані всередині адронів у вигляді кварків) у вільному стані не виявлено. Чому природа «обирає» такі дискретні значення зарядів? До роботи Дірака це питання лишалося відкритим. Дірак же продемонстрував, що наявність хоча б одного магнітного монополя у Всесвіті автоматично пояснює квантованість всіх електричних зарядів[2]. Розглянутий ним квантовомеханічний ефект можна пояснити так: електрично заряджена частинка, обходячи навколо магнітного монополя, набуває фазового зсуву хвильової функції.
Вимога однозначності хвильової функції після повного оберту навколо монополя веде до умови, що цей фазовий зсув має дорівнювати 2πN, де N – ціле число. Звідси й випливає наведене раніше співвідношення Дірака e g = (Nℏc)∕2. Мінімальний невидимий вплив «пришитої» до монополя струни Дірака (яку не можна зафіксувати експериментально) досягається саме тоді, коли магнітний заряд g кратний 1∕(2e) (у відповідних одиницях)[1]. Таким чином, припустивши існування монополя з певним g, ми автоматично отримуємо дозволені значення e. Досі ніхто не запропонував настільки ж елегантного пояснення квантування заряду без участі монополів.
Варто зазначити, що на час роботи Дірака сам факт квантованості заряду вже було добре відомо з експериментів, але глибоке обґрунтування цього явища було відсутнє. Монополь, фактично, заповнив концептуальну прогалину в електродинаміці. Діраківський монополь пояснював не лише квантування, а й передбачав певну асиметрію: мінімальний можливий магнітний заряд виявляється дуже великим порівняно з електричним. Підставивши N=1 і значення фундаментальних сталих, отримаємо, що g мінімум ~68,5 e (в безрозмірнісних одиницях, через велику величину інверсної тонкої структури α⁻¹ ≈ 137). Тобто, найслабший монополь мав би магнітний заряд у десятки разів більший за заряд електрона. Це означає, що якщо такі частинки існують, вони повинні дуже інтенсивно взаємодіяти з речовиною (через сильне магнітне поле). Практично, пролітаючи крізь детектор чи речовину, монополь з одиничним «зарядом Дірака» залишить слід набагато більш іонізуючий, ніж будь-яка звичайна заряджена частинка[3]. Ця обставина, як побачимо далі, дуже важлива для експериментаторів – вона допомагає відрізняти потенційний сигнал монополя від шуму. Але з іншого боку, великий g може пояснювати, чому монополі такі рідкісні: можливо, вони народжуються лише в екстремальних умовах, через необхідність виконання суворого балансу заряд-магнітний заряд.
Отже, магнітний монополь виступає як ключ до пояснення цілого ряду фундаментальних питань: симетрії рівнянь, квантування зарядів, топологічної структури теорій поля. Проте усі ці аргументи будуть переконливими лише тоді, коли монополь буде реально зареєстровано. Саме тому, починаючи з середини XX ст., фізики не припиняють пошуків цих частинок різними методами.
Математичний опис монополів
Математично монополь можна описати декількома способами. У найпростішому (класичному) підході монополь – це точкове джерело магнітного поля. Аналогічно до кулонівського електричного поля E від заряду q, магнітний монополь з «магнітним зарядом» g створював би радіальне магнітне поле,
B(r) = μ₀g∕(4π r²) r̂
спрямоване від частинки (для північного полюса) або до неї (для південного полюса). Тут μ₀ – магнітна стала, r – відстань від монополя, а 𝗿̂ – одиничний вектор радіуса. Це поле задовольняє зміненому закону Гауса: обрахунок потоку B через замкнену поверхню дає
∮B⋅dS = μ₀ g,
тобто рівняється магнітному заряду всередині, помноженому на μ₀. У класичних рівняннях Максвелла, як уже згадано, справа стоїть нуль (бо g=0), а тут – ненульова стала.
В квантовій теорії поля опис монополя вимагає введення потенціалу з особливою поведінкою. Ще Дірак показав, що потенціал монопольного поля A(r) не можна визначити всюди безсингулярно в тривимірному просторі: обов’язково з’являється лінія особливості – струна Дірака. Проте ця «нитка» нефізична, якщо виконується умова квантованості заряду, як описано вище. У топологічному підході, монополь – це певний елемент другої групи гомотопії вакуумного многовиддя (π₂) грубо кажучи – незвідний “вузлик” у полі, що не може розв’язатися без великої енергії. Такий підхід було формалізовано в роботах Гофта і Полякова 1974 року, де монополь є солітонним розв’язком у теорії з полем Ґіґгса. Маса такого монополя визначається параметрами теорії (наприклад, масштабом порушення симетрії) і, як згадувалося, для GUT-монополів оцінена ~10¹⁶ГеВ[3]. Цікаво, що за певних умов магнітний монополь може мати й електричний заряд одночасно – такий гіпотетичний об’єкт називають діоном. Рівняння квантування для діона включає і електричний, і магнітний заряд, та може бути складнішим залежно від моделі. Наприклад, Швінгер у 1960-ті припускав, що існує ціла сім’я рішень з різними поєднаннями заряд-магнітний заряд.
З точки зору лагранжіану поля, введення магнітних заряджених частинок потребує розширення стандартної електродинаміки. Найпростіше – ввести дві 4-потенціали: електричний Aₑ для звичайних заряджених частинок і аналогічний магнітний потенціал Aₑ для монополя. В такому подвоєному формалізмі рівняння стають симетричними. Однак більш елегантний підхід – це використання дуального опису. У дуальних змінних електричні та магнітні поля міняються місцями, і монополь виглядає як “звичайний” заряд у цій перетвореній системі координат. Такий формалізм застосовують у суперсиметричних теоріях: там монополь з’являється як полюс поля дуальної теорії, і у квантовому сенсі може розглядатися на рівних правах з електрично зарядженими частинками. Одним із наслідків такого дуалізму є зв’язок між константами взаємодії: якщо звичайний електричний заряд взаємодіє з силою, пропорційною α (тонкій структурній сталій ~1/137), то для магнітного заряду ефективна “магнітна” стала αₘ буде обернено пропорційна α. Кондиція Дірака фактично і є відношенням між α та αₘ = 1∕(4α) (для найменшого монополя). Тож монополь був би об’єктом з дуже великою константою зв’язку – це ще одне пояснення, чому його важко врахувати звичайними збурювальними методами квантової теорії поля[2].
Підсумовуючи, математичний апарат для опису магнітних монополів досить розвинений. Ми маємо класичні рівняння з явно введеними магнітними зарядами, квантовомеханічні умови квантування Дірака, топологічні солітони ’т Гофта–Полякова, дуальні суперсиметричні теорії. Все це – красива теоретична картина. Але чи має вона підтвердження у природі? Відповідь на це намагалися дати численні експерименти, про які йтиметься далі.
Експериментальні пошуки магнітних монополів
Пошук монополів – надзвичайно непросте завдання, зважаючи на їх очікувану рідкісність і високий заряд. За десятиліття було розроблено дві основні стратегії: (1) намагатися виявити вже існуючі в природі монопольні частинки, які могли б прилітати на Землю (з космічними променями чи бути захоплені в речовині); (2) синтезувати монополь у високоенергетичних процесах, наприклад, у зіткненнях частинок на прискорювачах. Кожен з цих підходів має свої складнощі. Розглянемо їх послідовно.
Пошуки монополів у космічних променях і речовині
Якщо магнітні монополі хоч колись утворилися у Всесвіті (наприклад, в ранні епохи, як передбачають GUT-моделі), то деяка їх кількість може досі мандрувати в космосі. Такі частинки, як правило, були б надзвичайно повільними (не ультрарелятивістськими) і масивними. Вони могли б вловлюватися магнітними полями галактик або Сонячної системи і осідати в космічному середовищі. Проблема в тому, що навіть за оцінками з урахуванням інфляції гранично допустимий потік монополів дуже малий – існує так званий межа Паркера (Паркерове обмеження) на густину монополів у Галактиці, аби вони не розсіювали помітно галактичне магнітне поле. Ця оцінка дає верхній ліміт порядку 10⁻¹⁵ монополів на cm²·sr·s[3]. Тобто, навіть найоптимістичніше, один монополь може прилітати через детектор площею 1 м² лише раз на багато років (або й століть).
Попри це, ентузіасти бралися за неймовірно чутливі експерименти. Перші гучні заяви з’явилися у 1970-х роках. У 1975 році група фізиків під керівництвом П. Бьюфорда Прайса (нар. 1932) повідомила про реєстрацію дивного треку в пластиці детектора космічних променів, який вони інтерпретували як слід монополя, що рухався з відносно малою швидкістю. Ця новина сколихнула спільноту, але згодом результат був визнаний неінклюзивним: інша група на чолі з нобелівським лауреатом Луїсом Альваресом (1911–1988) показала, що такий самий трек міг залишити важкий іон плутонію, спонтанно розпадаючись у пластинці детектора[2]. Прайс відкликав свою заяву, і «монополь 1975» увійшов в історію як хибна тривога.
Наступна знаменита подія сталася в ніч на 14 лютого 1982 року. Блас Кабрера (нар. 1946) з Стенфордського університету проводив тоді витончений експеримент: індукційний детектор із надчутливим SQUID-магнітометром фіксував будь-які зміни магнітного потоку в надпровідному кільці. Як вже зазначалося, проліт монополя через контур індукує в ньому характерний стрибок струму, який зберігається в надпровіднику (саме цей принцип – правило Дірака: кожен монополь дасть квант потоку – робить індукційні методи унікально чутливими). Так от, у ніч на День Святого Валентина прилад Кабрери зафіксував один-єдиний сигнал, точно відповідний проходженню монополя з зарядом g = 1 × gᴰ (где gᴰ– «заряд Дірака»)[2][3]. Ця подія стала легендарною і увійшла в літературу як «валентинівський монополь» (через дату). Вона надихнула подальші експерименти, але, на жаль, повторити подібне спостереження не вдалося. Кабрера чесно продовжив досліди, удосконалюючи захист від можливих завад, проте більше жодного сигналу не з’явилося. Станом на кінець 1980-х за відсутності повторних «кандидатів» встановили, що якщо той сигнал 1982 року був флуктуацією або помилкою, то верхня межа потокy монополів ~<10⁻¹² см⁻²·с⁻¹·стр⁻¹ (90% довірчий інтервал)[3]. Тобто монополі або неймовірно рідкісні, або швидкоплинний успіх Кабрери справді був унікальним везінням, яке більш не повторилося.
Окрім детекторів, що ловлять монополь «на льоту», були і спроби знайти монополі, захоплені в речовині. Ідея така: якщо десь у геологічному чи космічному матеріалі колись затримався монополь, він би залишив постійний магнітний слід. Наприклад, у феромагнітних породах він міг би застрягти, з’єднавшись з доменами, або індукувати в металі постійний струм. Групи дослідників брали зразки залізних руд, метеоритів, місячного ґрунту, залізомарганцевих конкрецій і пропускали їх крізь надчутливі котушки зі SQUID-детекторами. Якщо в шматку містився б хоча б один монополь, то при внесенні його в котушку виник би сигнал аналогічний кабрерівському (стрибок струму). Особливо ретельний експеримент виконали у 1990-х Ханс Джон і Майкл Лонго: вони перевірили понад 330 кг різних зразків, у тому числі 112 кг метеоритів – жодного сліду монополя не знайшли. Отримана ними оцінка – не більше 1 монополя на 10²⁹ нуклонів матерії (з довірчою ймовірністю 90%)[4]. Це дуже суворе обмеження: якщо б у середньостатистичному метеориті чи земній породі сидів хоча б один монополь на 10²⁹ атомів, експеримент би його виявив. Поки цього не сталося.
Значно збільшити чутливість у пошуках «космічних» монополів допомогли великі підземні детектори космічних променів, спроєктовані переважно для нейтрино чи рідкісних розпадів. Наприклад, детектор MACRO (Monopole and Cosmic Ray Observatory) в Італії діяв у 1990-х роках і спеціально був налаштований на монопольні сигнали. MACRO складався з поєднання сцинтиляційних панелей, іонізаційних дротових камер і трекових детекторів – такий комплекс дозволяв шукати об’єкти з різними швидкостями та різним іонізаційним впливом. За роки роботи MACRO так і не побачив монополя, зате встановив найсуворі на той час ліміти на потік таких частинок для широкого діапазону їх швидкостей. Наприклад, для класичних GUT-монополів, що рухаються зі швидкістю ~0,001–0,1 від c, межа MACRO була краще 10⁻¹⁶–10⁻¹⁷ см⁻²·с⁻¹·стр⁻¹. Ці результати узгоджуються з уже згаданим обмеженням Паркера – тобто, якщо монополі й існують, то їх потік десь на рівні або нижче космологічно допустимого мінімуму[3].
Паралельно тривали й інші експерименти: пошуки швидких релятивістських монополів у складі космічних променів за допомогою масивів черенковських детекторів (як, наприклад, антена ANITA на повітряній кулі чи нейтринні обсерваторії типу IceCube на Південному полюсі), пошуки в старих ядерних емульсіях та трекових детекторах, встановлених на супутниках тощо[5] [6]. Усі ці зусилля поки що призводили лише до покращення верхніх меж, але не до позитивних сигналів. На середину 2010-х сформувалася консенсусна думка: якщо монополі десь і літають, то вкрай рідко. Отже, логічний шлях – спробувати створити їх штучно на прискорювачах, де умови контрольовані.
Пошуки на прискорювачах: від Tevatron до LHC
Високоенергетичні колайдери – природне місце для народження нових частинок. Однак з монополем все не так просто. По-перше, як вже зазначалося, монополь не може народитися один – має виконуватися закон збереження магнітного заряду. Тому в будь-якій реакції монополі утворюватимуться парами «північ–південь». По-друге, якщо монополь дуже важкий (GUT-монополь ~10¹⁶ ГеВ), жоден сучасний колайдер не досягає такої енергії (для довідки, енергія протон-протонних зіткнень на Великому адронному колайдері – 13–14 ТеВ, тобто ~10⁴ ГеВ в системі центру мас). Отже, є шанс народити лише відносно «легкі» монопольні стани, якщо такі існують. Третя проблема – теоретична невизначеність: через великий ефективний заряд g стандартні методи розрахунку ймовірностей (діаграми Фейнмана в квантовій електродинаміці) непридатні[2]. Жодна конкретна теорія не може передбачити точно ні переріз народження монополя, ні канал його розпаду (якщо він нестабільний), ні навіть оптимальну енергію процесу. Тож експериментатори змушені діяти в умовах непевності, ґрунтуючись на загальних мотиваціях.
Перші прямі пошуки на колайдерах проводилися ще на американському Tevatron у 1990-х роках та на попередниках LHC. Але справжня ера прискорювального «полювання» на монополь почалася з запуском Великого адронного колайдера (LHC) в CERN. LHC дозволяє зіштовхувати протони з рекордними енергіями, а також важкі іони свинцю, створюючи екстремальні електромагнітні поля. На LHC одразу кілька експериментів включили до своєї програми пошук монополів.
Детектор ATLAS – один із двох найбільших універсальних детекторів LHC – має прискорені частинки та складні системи, здатні ловити незвичайні іонізаційні треки. Колаборація ATLAS шукала монопольні пари, що могли б народжуватися у фотон-фотонних процесах (коли сильні електромагнітні поля двох пролітаючих важких іонів Pb взаємодіють)[7]. Такі ультрапериферичні зіткнення іонів генерують гігантське магнітне поле – найсильніше у нинішньому Всесвіті, – що за аналогією зі швінгерівським механізмом розпаду вакууму може створювати пари «монопол–антимонопол»[8]. ATLAS у 2022–2023 роках провів такий аналіз з даними зіткнень Pb–Pb при енергії 5,02 ТеВ на пару ядер. Хоча спеціально модифікована система тригерів відсікала типові фонові події і була чутлива до високоіонізуючих треків, жодного достовірного сигналу монополя не виявлено. Натомість ATLAS встановив нові межі: монополь з зарядом 1 gᴰ і масою менше ~120 ГеВ/с² виключено з довірчою ймовірністю 95%[7]. Це покращило попередні обмеження для легких монополів і вийшло за рамки результатів, отриманих іншим спеціалізованим детектором.
Експеримент MoEDAL (Monopole and Exotics Detector at LHC) – унікальна установка, спеціально розроблена саме для пошуку монополів та подібних «винятково іонізуючих» частинок. MoEDAL не схожий на типові модерні трекові детектори; це радше масив пасивних елементів: пластикових ядерних трекових детекторів (NTD) і масивів алюмінієвих пластин, розташованих навколо точки зіткнення (поруч з детектором LHCb)[2].Принцип роботи MoEDAL такий: коли через пластиковий шар пролітає високоіонізуюча частинка (якою мав би бути монополь), в полімері залишається прихований трек пошкоджень. Пізніше ці пластини витягують і травлять спеціальним хімічним розчином – в місці треку проявляється мікроскопічна циліндрична пора, яку можна побачити під мікроскопом. По геометрії і кількості таких пор можна визначити характеристики частинки, що пройшла. Алюмінієві пластини, у свою чергу, служать пастками для монополів: якщо досить повільний монополь зупиниться в алюмінії, він залишиться там надовго, намагнітивши атоми навколо себе. Після експозиції пластини виймають і пропускають через чутливий магнітометр (SQUID) – якщо десь всередині «сидить» монополь, він проявиться як стрибок струму при проходженні пластини крізь датчик[3]. Ця оригінальна методика дозволяє фіксувати навіть поодинокі монопольні захоплення.
За період роботи LHC експеримент MoEDAL провів кілька пошуків і постійно удосконалював межі. У 2017 році колаборація MoEDAL оприлюднила результати аналізу перших зіткнень при 13 ТеВ: жодного монополя не виявлено, що дозволило відкинути існування монополів з зарядами 1–2 1 gᴰ і масами до 6–7 ТеВ[3]. У 2018 році було встановлено нові «пастки» в період зіткнень важких іонів Pb–Pb. Цей аналіз став особливо цікавим, бо охоплював сценарій народження монополів через механізм Швінгера (як згадувалося вище). Результат вийшов у журналі Nature в 2022 році: монополі з зарядами 1, 2 або 3 1 gᴰ і масами до ~75 ГеВ/с² однозначно виключаються[8]. Хоча це обмеження здається невеликим (75 ГеВ – набагато менше енергії LHC), воно важливе тим, що вперше встановлено для монополів кінечного розміру (певних моделей, де монополь має структуру) методами, незалежними від збурень Паралельно MoEDAL продовжував пошук у протон-протонних зіткненнях. Найсвіжіші дані (2019 року) з повного набору пасток дозволили значно посилити межі на існування монополів із зарядами до 5 1 gᴰ та масами до ~7 ТеВ – знов-таки, жодних кандидатів не знайдено[3]. У сукупності з іншими експериментами, наразі можна впевнено сказати: у діапазоні мас до десятків ГеВ або декількох ТеВ магнітні монополі відсутні(якщо тільки вони не мають якісь нестандартні властивості, що уникають детекції).
Варто згадати також, що жодних ознак монополів не побачили і в інших експериментах на колайдерах попередніх поколінь – наприклад, на LEP (електрон-позитронний колайдер в CERN, 1989–2000) чи на Tevatron (протон-антипротонний колайдер в Fermilab, США, 1987–2011). Там теж встановлювалися ліміти на кшталт «монополі масою менше X не народжуються з перерізом більше Y», але LHC суттєво перевершив їх у чутливості.
Отже, експериментальний вердикт станом на 2025 рік: магнітні монополі ще не виявлені. Жоден з пошуків – ні серед космічних променів, ні у надрах речовини, ні на прискорювачах – не дав однозначного підтвердження сигналу монополя. Ми маємо лише декілька історичних “кандидатів” (1975, 1982 роки), які нині вважаються хибними або непереконливими[2]. Натомість науковці поступово звужують “простір можливостей”, накладаючи дедалі суворіші обмеження на властивості потенційних монополів – їх масу, заряд, частоту появи тощо.
Сучасний стан досліджень і перспективи
Відсутність експериментального виявлення монополів поки що не спростовує їх існування, але змушує переглядати очікування. Сьогодні багато фізиків схиляються до думки, що якщо монополь і існує, то він, швидше за все, дуже важкий (близький до масштабів GUT або навіть планківських масштабів ~10¹⁹ ГеВ) і тому практично недосяжний для лабораторного синтезу[2]. Такий монополь міг утворитися тільки в екстремальних умовах раннього Всесвіту – а отже, його щільність надзвичайно мала завдяки космічній інфляції. Це означає, що шанси зловити хоча б один об’єкт у земних детекторах мізерно низькі. Додатково, сучасні експерименти (як ATLAS і MoEDAL) вже виключили існування легких і помірно важких монополів, які могли б створюватися на LHC чи прилітати з космосу. Іншими словами, монополь, якщо він є, ховається десь на межі досяжності сучасної фізики.
Незважаючи на це, дослідження тривають. Плануються нові експерименти й методики. Зокрема, наступні запуски LHC (після модернізації High-Luminosity LHC) дадуть ще більший об’єм даних, і MoEDAL, а також детектори ATLAS/CMS будуть шукати монополі з ще вищою чутливістю. Розглядаються проєкти спеціалізованих детекторів, що використовують радіочеренковське випромінювання у льодовиках чи озерах для виявлення гіпотетичних дуже швидких монополів: адже монополь, рухаючись крізь діелектрик, міг би генерувати конус Черенкова через намагнічування середовища. Такі проєкти, як ANITA і ARIANNA, вже пробували шукати подібні сигнали у льодах Антарктики, і надалі ця тема може розвинутися. Крім того, завжди залишається шанс на випадкову знахідку: наприклад, у даних космічних місій або у пробах, привезених з астероїдів, може колись знайдеться аномалія, що вкаже на монополь.
Цікавим побічним напрямом є дослідження квазі-монополів у конденсованих середовищах. З 2009 року в експериментах зі спіновим льодом – особливим магнітним матеріалом – були виявлені збудження, які моделюють поведінку монополя (мають ефективний магнітний «заряд» всередині кристалу). Хоч ці квазічастинки не є справжніми елементарними монополями (вони існують тільки всередині твердого тіла і завжди утворюються парами полюсів), їх дослідження підтверджують математичну правильність деяких моделей монополя і дають експериментаторам тренувальний майданчик. Наприклад, спостереження магнетричних ефектів (аналог електрики, але для «магнітного струму» квазі-монополів у матеріалі) підтвердило багато теоретичних підходів. Проте, як зазначають самі дослідники, не варто плутати ці системи з пошуком справжнього монополя: жодна з них не порушує ∇·B=0 у вакуумі, а отже, не є тим самим «єдиним полюсом» у реальному просторі[2].
На теперішній момент наукове співтовариство дотримується позиції, що питання про існування магнітних монополів лишається відкритим. Це одна з небагатьох прогалин Стандартної Моделі, де експеримент і теорія поки що не зустрілися. Як влучно сказано у Particle Data Group 2022, “монополь досі не спіймано, але полювання триває”[2].
Наслідки можливого відкриття монополів
Уявімо, що завтра магнітний монополь буде знайдено в якомусь детекторі чи зразку. Наслідки цього відкриття важко переоцінити – воно стане справжньою сенсацією в фундаментальній фізиці. Перш за все, буде підтверджено багаторічні теоретичні передбачення: і квантова дуальність, і моделі Великого Об’єднання, і можливо навіть якісь аспекти теорії струн отримають прямий доказ правильності. Зокрема, виявлення монополя негайно підтвердить пояснення квантування заряду Діраком – вся електромагнітна картина світу набуде логічної завершеності. Можна буде сказати, що симетрія рівнянь Максвелла нарешті проявилася фізично.
Для космології це теж буде переламний момент. Якщо монополь важкий (GUT-масштабу), його наявність стане прямим свідченням подій раннього Всесвіту і достовірним аргументом на користь інфляційної моделі (адже доведеться пояснювати, чому ми бачимо так мало таких важких залишків). Можливо, вдасться встановити, скільки монополів приходиться на одиницю об’єму Всесвіту – це нова космологічна константа, яку доведеться включити в моделі еволюції галактик, магнітних полів тощо. Існують припущення, що масивні GUT-монополі могли б служити центрами, навколо яких концентрується темна матерія, або ядрами для утворення первинних чорних дір – відкриття монополя змусить переглянути ці гіпотези.
З точки зору астрофізики, ці частинки могли б впливати на стабільність зір і планет. Цікавий ефект передбачали у 1980-х: монополь, захоплений ядром зорі, міг би каталізувати протонний розпад (в деяких GUT-теоріях монополь діє як каталізатор, що розщеплює протони з викидом енергії)[3]. Це явище, зване ефектом Каллана–Рубакова, теоретично могло б призвести до поступового “вигоряння” зорі зсередини. Втім, сучасні обмеження на потік монополів кажуть, що таких процесів, скоріш за все, не відбувається на помітному рівні – інакше б зорі жили набагато менше. Проте поява реального монополя дозволить безпосередньо перевірити, чи розпадаються поруч з ним протони, чи ні, і таким чином підтвердити або спростувати ряд розділів теорії Великого Об’єднання.
Для прикладної науки і технологій пряма користь від магнітного монополя поки виглядає екзотично. Звичайно, в довгостроковій перспективі будь-яка нова елементарна частинка знаходить застосування: наприклад, відкриття електрона призвело до всієї сучасної електроніки. Якщо монополь виявиться відносно доступним (скажімо, його можна буде синтезувати чи накопичувати), можна уявити собі нові магнітні пристрої. Монополь у матеріалі створює однополюсне поле – можливо, це дозволить сфокусувати магнітні потоки краще, ніж звичайні магніти з двома полюсами. Такі пристрої могли б знайти застосування в магнітному зберіганні даних або в двигунах, де потрібні сильні однорідні поля. Змонополізовані (буквально) матеріали могли б мати незвичайні надпровідні властивості, адже зв’язування магнітних ліній в кільця – один з механізмів заважаючих надпровідності, а монополь розірвав би такі кільця. Але все це – поки що області спекуляцій.
Можливо, найбільшим прикладним ефектом буде просто новий виток розвитку детекторів. Технології, створені для ловлі монополів (такі як великі масиви SQUID або трекові матеріали), можуть знайти інше застосування, як це часто буває з інструментами фундаментальної фізики. Наприклад, надпровідні магнітометри вже використовуються в медицині (магнітно-резонансна томографія) та геології для тонких вимірювань магнітного поля Землі.
У підсумку, відкриття магнітного монополя стало б тріумфом людської думки, що поєднав би воєдино розрізнені частини фізичної картини світу. Це дало б відповіді на давні запитання і, безсумнівно, породило б нові. Поки що ж ми перебуваємо в цікавій ситуації: теорія настільки впевнена у існуванні монополів, що їх називають «найбільш очікуваною частинкою, яку досі не знайшли»[2][1], але експеримент наполегливо мовчить. Це мовчання теж багато чому навчило фізиків і спонукало до створення надчутливих приладів та сміливих ідей. Чи існують магнітні монополі? Наука поки не дає остаточної відповіді. Але їх пошук продовжується – адже, як показує історія, варто знайти лиш одну таку частинку, щоб цілковито змінити наш погляд на Всесвіт.
Список використаних джерел:
1. Pinfold J. The observation of authentic make-believe monopoles [Електронний ресурс] // CERN News. – 2014. – 5 February. – Режим доступу: https://home.cern/news/opinion/experiments/observation-authentic-make-believe-monopoles
2. Magnetic monopole [Електронний ресурс]// Wikipedia : the free encyclopedia. – Режим доступу: https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_monopole
3. Mitsou V. A. Searches for Magnetic Monopoles: A Review // Proceedings. – 2019. – Vol. 13, № 1. – P. 10. – DOI: https://doi.org/10.3390/proceedings2019013010.
4. Jeon H., Longo M. Search for Magnetic Monopoles Trapped in Matter [Електронний ресурс] // arXiv : [hep-ex/9508003]. – 1995. – Режим доступу: https://doi.org/10.48550/arXiv.hep-ex/9508003
5. Searching for magnetic monopoles in polar rocks [Електронний ресурс] // Physics World. – 2013. – 11 February. – Режим доступу: https://physicsworld.com/a/searching-for-magnetic-monopoles-in-polar-rocks
6. Giacomelli G. Magnetic Monopoles Searches : invited lectures at the 1994 Lake Louise Winter Institute. – Bologna : Università di Bologna, Dipartimento di Fisica, I.N.F.N., 1994. – 27 p. Режим доступу: https://lss.fnal.gov/archive/other/dfub-20-94.pdf#:~:text=,all%20elements%20heavier%20than%20hydrogen
7. Taking the lead in the monopole hunt [Електронний ресурс] // CERN Courier. – 2025. – 27 January. – Режим доступу: https://cerncourier.com/a/taking-the-lead-in-the-monopole-hunt
8. Acharya B., Alexandre J., Benes P… Vives O. Search for magnetic monopoles produced via the Schwinger mechanism // Nature. – 2022. – Vol. 602. – P. 63–67. – DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-021-04298-6.
Коментарі