Стандартная модель (СМ) элементарных частиц описывает 61 частицу (последней открытой стал бозон Хиггса). Однако теоретики уже давно и активно работают над разнообразными расширениями СМ, как правило, приводящими к предсказанию новых частиц, которые экспериментаторы пытаются обнаружить. Иногда эти поиски длятся десятилетиями, как это произошло с магнитным монополем.
Стандартная модель: как ищут новые элементарные частицы

Когда-то электрические и магнитные явления считали совершенно разными и не связывали друг с другом. В самом деле, что общего у искры, проскакивающей между вашей рукой и носом кошки, и поведением стрелки компаса? Однако со временем начали накапливаться данные о том, что электрические и магнитные явления «ходят парой». Постепенно пришло понимание, что это две стороны одной медали. В теории электромагнетизма, созданной Джеймсом Максвеллом в середине XIX века, электричество и магнетизм соединялись в одной группе элегантных уравнений.

Тем не менее есть и вполне очевидная разница. Мы знаем, что существуют электрические заряды двух знаков — их можно легко отделить друг от друга. А вот магнитных зарядов никому обнаружить пока не удалось: если мы распилим магнит пополам, то получим не два полюса, а два полноценных магнита. Поле магнита создается молекулярными токами, то есть связано с движением электрических зарядов. Поэтому полюса магнита нельзя разделить — они представляют собой не самостоятельные сущности, а лишь два конца так называемого магнитного диполя (буквально — двухполюсника). Существуют и электрические диполи — такова, например, молекула воды, поскольку электронное облако молекулы смещено от ее центра. Хотя в целом она нейтральна, ионизацией можно разделить ее на электрон и положительно заряженный ион.

Отдельный северный или южный магнитный полюс и был бы магнитным зарядом (или их скоплением), но разделить их никому пока не удалось. Известные магнитные поля (не только у постоянных магнитов, но, например, у Земли и Солнца, у других планет и звезд) порождаются не магнитными зарядами, а электрическими токами. Но если магнитных зарядов нет, то нет и полной симметрии между электричеством и магнетизмом?

Невозможная частица

Первые идеи о существовании магнитных зарядов появились достаточно давно. Несимметрия уравнений Максвелла относительно магнитных и электрических явлений вполне очевидна, причем симметрию можно легко восстановить, введя в дополнение к наблюдаемым электрическим зарядам и токам гипотетические магнитные заряды и магнитные токи. Впервые о такой возможности упомянул в одной из своих заметок в 1894 году Пьер Кюри, но, поскольку такие заряды и токи никто и никогда не наблюдал, этим дело и ограничилось.

Для выхода гипотезы на новый уровень понадобилось создание квантовой механики. В 1931 году Поль Дирак, исследуя симметрию между электричеством и магнетизмом, показал, что введение магнитных зарядов позволяет элегантно решить давнюю загадку природы — квантование электрического заряда. Оказалось, что если во Вселенной существует хотя бы один магнитный заряд, все электрические заряды обязаны быть кратными элементарному электрическому заряду (магнитные заряды при этом тоже обязаны квантоваться). Позднее, уже в 1974 году, Герард 'т Хоофт и Александр Поляков показали, что и в более совершенных теориях Великого объединения, в которых разные взаимодействия описываются в рамках единого подхода, также должны существовать магнитные монополи, возникающие как топологические дефекты хиггсова поля. И их начали активно искать.

Под покровом тайны

Про монополи известно немного. Точнее, разные теории делают очень разные предсказания, и даже в рамках одного подхода свойства монополей могут сильно различаться. В теориях Великого объединения возникают очень массивные монополи — в 1016 раз массивнее протона, то есть массой примерно с амебу. Создание таких частиц требует гигантских энергий, и они могли появляться только в первые мгновения жизни нашей Вселенной. Зато потом они могли сохраниться до наших дней, и мы можем надеяться зарегистрировать такого пришельца из космоса. Другие модели предсказывают, что монополи могут быть всего лишь раз в сто тяжелее протона. Тогда есть надежда получить их в экспериментах на ускорителях.

Классический монополь Дирака не имеет электрического заряда (как, скажем, электрон не имеет магнитного). Однако в некоторых моделях монополи вдобавок к магнитному имеют еще и электрический заряд. Такие частицы, дионы, придумал американский физик-теоретик Джулиан Швингер. Это экзотика, но их тоже ищут. А может, у обычных частиц есть магнитный заряд, но очень маленький? Это предположение тоже проверялось, и, например, у электрона не выявлено никаких следов магнитного заряда с точностью 24 знака после запятой.

Электромагнитная индукция и монополи

За сто лет до предсказания монополя Дираком другой ученый, Майкл Фарадей, обнаружил явление электромагнитной индукции: меняющееся магнитное поле создает в цепи электрический ток. Это явление и лежит в основе интересного способа поиска монополей. Когда сквозь сверхпроводящее кольцо пролетает монополь, несущий дираковский магнитный заряд, ток в кольце меняется так, чтобы магнитный поток через кольцо изменился ровно на два кванта магнитного потока (эта величина тоже квантуется), причем ни скорость, ни масса частицы значения не имеют. Именно так в течение долгого времени научные группы искали монополи. В первом же из таких экспериментов, набиравшем данные в течение пяти месяцев, произошел скачок тока, очень похожий на искомое событие пролета монополя сквозь катушку. Этот случай, получивший название «событие Кабреры» (по фамилии заметившего его экспериментатора), произошел в два часа дня 14 февраля 1982 года. Он так и не был объяснен. Более поздние и значительно более чувствительные эксперименты ничего подобного не обнаружили, если не считать еще одного случая в Лондоне в 1985 году. В экспериментальной физике единичное наблюдение не дает права объявить об открытии. Лишь многократные подтверждения эффекта, желательно в разных лабораториях, позволили бы говорить о доказательном обнаружении искомой частицы. Сейчас считается, что оба загадочных события были вызваны какими-то неучтенными внешними воздействиями на детектор.

GUT-монополи

Фото GUT-монополь — это реликт, в оболочках которого, как в слоях отложений, «законсервированы» этапы формирования очень ранней Вселенной Монополи, предсказываемые моделями Великого объединения (так называемые GUT-монополи, от Great Unification Theory), имеют «луковичную» структуру: в самых внутренних частях царит то самое объединенное взаимодействие, которое снаружи, в привычном нам мире, расщепляется на электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия, очень непохожие друг на друга. Объединенное взаимодействие обладает любопытным свойством: оно не сохраняет по отдельности ни барионное, ни лептонное число — те обычно сохраняющиеся величины, которые ответственны за стабильность протона и электрона, а значит, и всего окружающего нас вещества. Распад протона никогда еще не наблюдался экспериментально, несмотря на интенсивные поиски. Однако крошечная сердцевина GUT-монополя смертоносна для протонов — она, хотя сама по размерам во столько же раз меньше протона, во сколько протон меньше дыни, способна заставить его мгновенно распасться на позитрон и пи-мезон, причем сам монополь от этого никак не страдает и может тут же заняться следующей «жертвой». Это предсказанное, но, как и сам GUT-монополь, пока никем не наблюдавшееся явление называют механизмом Каллана-Рубакова, или катализом протонного распада, по аналогии с химическим катализом, когда вещество-катализатор инициирует реакцию, но само не расходуется.

Распад протона

Протон, которому несчастливая судьба уготовала встречу с GUT-монополем, оставляет в окружающей среде примерно столько же энергии, сколько пять делений ядер урана. Представим, что GUT-монополь попадает в недра астрономического объекта — нейтронной звезды, коричневого карлика, планеты-гиганта — и принимается уничтожать, как хорек в курятнике, попавшиеся ему на пути протоны (и с равным успехом нейтроны). Выделившаяся энергия будет нагревать окружающее его вещество и в конечном счете достигнет поверхности светила. Если монополей внутри объекта достаточно много, то дополнительный нагрев, не укладывающийся в обычную модель, можно будет заметить. И наоборот, отсутствие такого нагрева позволяет установить определенное ограничение сверху на количество GUT-монополей внутри объекта и вообще во Вселенной.

Один монополь на шесть соток

В нашей Галактике есть крупномасштабные магнитные поля. Они в сотни тысяч раз слабее земного поля, но их характерные размеры достигают тысяч световых лет. Магнитный заряд, влетевший в такое поле, будет забирать у него энергию, разгоняясь до больших скоростей. В случае самых тяжелых монополей движение определяется в основном гравитацией, и их скорость составит около одной тысячной скорости света (как и у Солнца и других тяжелых объектов, свободно движущихся в гравитационном поле Галактики), но более легкие частицы магнитное поле способно разогнать почти до скорости света. Если монополей много, они просто «съедят» магнитное поле Галактики. Точно так же обилие электрически заряженных частиц (электронов, протонов, ионов) в межзвездной среде не позволяет появиться в ней сколько-нибудь существенному электрическому полю.

Однако на самом деле мы видим, что магнитное поле нашей Галактики существенно не нарушено. Значит, за время возобновления галактического поля (порядка 100 млн лет) монополи не успевают отобрать у него много энергии. Существование галактического магнитного поля позволяет поставить верхнее ограничение на общее количество таких частиц; это ограничение называется пределом Паркера. Оно приблизительно соответствует такому потоку частиц: на стандартный дачный участок в шесть соток за год из космоса в среднем может упасть не более одного монополя. Аналогичные оценки, в которых используются параметры межгалактических полей, гораздо более слабых, чем внутригалактические, дают еще более жесткие ограничения. Однако они менее точны, поскольку эти поля недостаточно исследованы.

В космосе и на Земле

Магнитный заряд (как и электрический) должен сохраняться. Это означает, что даже если тяжелые монополи могут распадаться на более легкие, то самым легким деваться некуда — они будут стабильными частицами. Соответственно, раз создав монополи, их нельзя совсем уничтожить (можно лишь аннигилировать «северный» монополь с «южным»). Поэтому, если когда-то и где-то они возникли, то они практически вечны, и их можно искать на космических просторах. Тяжелые монополи, предсказанные теориями Великого объединения, могли рождаться в ранней Вселенной. Дожив до наших дней, они должны бороздить просторы космоса, в том числе и в нашей Галактике.

Астрономические наблюдения помогают установить пределы на количество монополей во Вселенной. Во‑первых, можно использовать космологические данные о количестве темной материи во Вселенной. Предположение, что вся темная материя представлена монополями (хотя они — далеко не лучший кандидат на эту роль в «зоопарке» гипотетических частиц), дает возможность получить верхний предел на количество этих частиц. Но даже такая простая оценка уже оказывается полезной.

Монополи могут входить и в состав космических лучей. Если они там есть, то искать их можно, исследуя в лаборатории лунный грунт или образцы вещества метеоритов, которые миллиарды лет подвергались бомбардировке космическими лучами. Интересный, хотя и имеющий ряд ограничений метод был основан на исследовании древних минералов, в которых за прошедшие геологические эпохи монополи должны были бы оставить свои следы. Некоторые ядра атомов обладают магнитным моментом, то есть представляют собой миниатюрный магнитный диполь. Среди них широко распространенные в земной коре ядра алюминия-27. Свободный магнитный диполь всегда втягивается в более сильное магнитное поле, так что пролетающий мимо по своим делам монополь рискует обзавестись спутником. Ядро алюминия, протащенное монополем сквозь кристаллическую решетку минерала, оставит за собой след тяжелых разрушений, который при соответствующей обработке кристалла может быть выявлен.

Поток монополей крайне мал, но экспозиция в этом потоке продолжительностью в сотни миллионов лет, которой могут похвастаться некоторые слюды, должна была бы дать трек чуть ли не в каждом кубическом миллиметре кристалла. Ограничение, полученное применением этого метода, раз в сто строже предела Паркера, но для его обоснования необходимы некоторые дополнительные предположения.

Под землей, под водой, подо льдом

Движущийся магнитный заряд наводит вокруг себя круговое электрическое поле, взаимодействующее с окружающими электрическими зарядами. В частности, оно может срывать электроны со своих орбит в атомах. Значит, для детектирования монополей можно использовать всю группу ионизационных методов, разработанных для детектирования электрически заряженных частиц, — газовые, сцинтилляционные, полупроводниковые, искровые, методы травления треков. Монополи Дирака обладают большим зарядом, поэтому вызывают очень высокую ионизацию в веществе, причем, в отличие от электрически заряженных частиц, ионизация вещества монополями почти не зависит от скорости в широком диапазоне энергий. Кроме ионизации электрическим полем, магнитный монополь способен вызвать в атомах специфический магнитный эффект ионизации (эффект Дрелла), не наблюдающийся для электрически заряженных частиц.

Один из наиболее чувствительных экспериментов, направленных на поиск тяжелых магнитных монополей в космических лучах, использовал сразу несколько методов детектирования, что позволило снизить фон от паразитных событий. Эксперимент MACRO (Monopole And Cosmic Ray Observatory) работал в течение ряда лет в подземной лаборатории Гран-Сассо в Италии, защищенной от космических лучей слоем горных пород толщиной 1400 м. Для поиска редких частиц и событий нужны огромные объемы вещества — размеры детектора составляли 77? х?12?х?9 м.

Ионизирующие частицы, пролетающие сквозь детектор, создают вспышки в слоях жидкого сцинтиллятора — вещества, способного превращать ионизационный сигнал в свет, который собирается и анализируется соответствующей электроникой. Кроме того, между слоями находятся газовые стримерные детекторы, позволяющие отделить быстрые частицы (в основном остаточные космические мюоны, сумевшие пробиться сквозь гору) от медленных (искомых монополей). И наконец, в эксперименте использовались ядерные трековые детекторы — слои специального пластика, который меняет свои химические свойства при прохождении через него высокоионизирующей частицы. Последующее травление пластика проявляющим раствором разрушает его в области, где выделилась энергия, и делает видимым трек частицы — ее путь сквозь пластик.

Различие в ионизационных свойствах монополей и обычных частиц позволяет сильно подавить фон, отбрасывая события, непохожие на ожидаемые. Весь многолетний эксперимент не выявил ни одного события, в котором можно было бы заподозрить прохождение сквозь установку монополя. Зато отсутствие таких событий позволило установить экспериментальную верхнюю границу на поток космических монополей в Галактике.

Огромный заряд монополей позволяет искать их по черенковскому излучению — свету, испускаемому частицей в прозрачной среде (в воде, льде и т.?п.), когда скорость частицы выше скорости света в этой среде. Релятивистский монополь испускает почти в 7000 раз больше черенковского света, чем движущаяся с той же скоростью обычная электрически заряженная частица. Такие события искали с помощью нейтринного телескопа NT200 (состоящего из фотоумножителей, погруженных под лед Байкала) и в эксперименте AMANDA, работавшем в антарктическом льду на Южном полюсе. Результат — нулевой.

Инфляция и монополи

Одна из важных составляющих современных космологических сценариев — так называемая инфляционная модель. Ее основная идея состоит в том, что на самых ранних стадиях наша Вселенная испытала период быстрого раздувания (инфляции). Одной из причин для создания этого сценария была проблема монополей.

Дело в том, что ранняя Вселенная была столь горячей, что в ней легко могли возникать очень массивные частицы, в том числе и монополи. Если не принимать дополнительных предположений, то их было бы очень много вокруг нас, не меньше, чем атомов золота. Но к началу 1980-х годов из экспериментов уже было ясно, что монополи очень редки, и надо было придумать какой-то механизм, приводящий практически к полному исчезновению таких реликтовых частиц. Идея чрезвычайно проста. Чтобы сделать плотность частиц маленькой, надо при сохраняющемся количестве частиц резко увеличить занимаемый ими объем. Инфляция для этого идеально подходит! Оставалось только выбрать параметры так, чтобы монополи рождались до окончания расширения Вселенной. Таким образом, загадка монополей оказывается связанной с теорией Большого взрыва.

В лаборатории

Фото Масса монополя Дирака не может быть менее 60 ГэВ. Такие энергии достижимы на современных коллайдерах. Значит, монополи с такими массами могут в них рождаться, а потом застревать в металлических деталях ускорителей или мишеней. Поэтому можно просто распилить те детали, которые сами по себе не являются магнитными, и протаскивать их через кольцо-детектор. Если в кусочке застрял монополь, кольцо среагирует на него. Так искали монополи в эксперименте Е882 в «Фермилабе», а также в проекте HERA. Искали монополи и на БАК в эксперименте ATLAS.

Но можно поступить интереснее — мощным магнитом выдирать застрявшие монополи. Вылетев из куска металла, они устремятся туда, куда их направило магнитное поле. Экспериментаторам остается только зарегистрировать эти частицы. Способ красив, но пока результат нулевой.

Статья «Половинка от магнита» опубликована в журнале «Популярная механика» (№2, Февраль 2015).