دنیای فیزیک در آستانه یافتن تک‌قطبی‌های مغناطیسی؟

یکی از مهم‌ترین آزمایش‌های شتابدهنده LHC (برخورددهنده بزرگ هادرون) در سرن، یافتن تک‌قطبی‌های مغناطیسی است و به نظر می‌رسد در آستانه گشودن پنجره‌ای برای حل این معمای ۲۰۰ساله هستیم.

به گزارش خبرآنلاین، دو پیش‌مقاله از تیم بزرگی از دانشمندان گزارش داده است که آن‌ها هرچند نتوانسته‌اند تک‌قطبی‌های مغناطیسی را پیدا کنند (فقط قطب مغناطیسی شمال یا جنوب، بدون وجود دیگری)، اما محدوده وجود احتمالی تک‌قطبی‌های مغناطیسی را مشخص کرده‌اند.

این پیش‌مقاله‌ها که در سرور آرکایو منتشر شده‌اند حتی عجیب‌ترین ایده‌ها را هم موردبررسی قرار داده‌اند، مثلا این‌که ممکن است سال‌ها پیش تک‌قطبی‌های مغناطیسی را ساخته باشیم و تصادفا به آن‌ها توجه نکرده باشیم. البته پیش‌مقاله‌ها هنوز موردبررسی همتایان قرار نگرفته است.

تک‌قطبی مغناطیسی چیست؟

یکی از اولین درس‌های فیزیک دبیرستان آن است که آهنربا‌ها همیشه دو قطب مخالف دارند، یکی شمال و دیگری جنوب. اگر آهنربایی میله‌ای را به دو قسمت تقسیم کنید، قطب‌های جدیدی در نزدیکی شکاف ظاهر می‌شوند به‌طوری‌که هر آهنربای کوچک‌تر همچنان یکی از هر قطب را خواهد داشت. هرقدر که این شکاف را ریز و ریزتر کنید، باز به آهنربای ریزتری می‌رسید که یک قطب شمال و یک قطب جنوب دارد.

بااین‌حال، از قرن نوزدهم دانشمندان به این فکر می‌کردند که آیا راهی وجود دارد که یک قطب مغناطیسی منفرد (تک‌قطبی 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 بنیان‌گذاران نظریه الکترومغناطیس فکر می‌کرد که مشکل تک‌قطبی مغناطیسی را برای همیشه حل کرده است، اما چند دهه بعد، «پل دیراک» نشان داد که وجود تک‌قطبی می‌تواند کوانتیزه بودن بار الکتریکی را توضیح دهد؛ و ازآنجایی‌که بار الکتریکی به شکل گسسته وجود دارد، پس بار (تک‌قطبی) مغناطیسی نیز باید کوانتیزه باشد و از واحد‌هایی به نام «بار دیراک» ساخته شده باشد که مقدار آن ۶۸٫۵ برابر بار الکترون است. از آن روزگار به بعد، نظریه‌پردازان به شکل فزاینده‌ای نسبت به این ایده اطمینان پیدا کرده‌اند، اما تجربی‌گرایان نتوانسته‌اند نشانه‌ای بر وجود تک‌قطبی مغناطیسی بیابند.

درواقع، تئوری تک‌قطبی آن‌قدر توسعه یافته است که فیزیکدانان در حال حاضر کاملاً موافقند که آن‌ها احتمالاً وجود دارند؛ اما تأیید تک‌قطبی‌های مغناطیسی زیراتمی هنوز در هاله‌ای از ابهام است.

بیشتر تئوری‌های تک‌قطبی مغناطیسی نیازمند آن است که قوانین تقارن را نقض نکنند. درنتیجه، نمی‌توان تعداد مازادی قطب شمال یا جنوب مغناطیسی در عالم داشت؛ تعداد هر دو باید برابر باشد، اما برخلاف قطب‌های مغناطیسی شناخته‌شده، نیازی نیست که تک‌قطبی‌ها به هم اتصال داشته باشند.

چگونه تک‌قطبی مغناطیسی بسازیم؟

آزمایش «آشکارساز تک‌قطبی و دیگر پدیده‌های غریب» (MoEDAL) از سال ۲۰۱۲ به‌عنوان بخشی از آزمایش عظیم «برخورددهنده بزرگ هادرون» به جست‌وجوی تک‌قطبی‌های مغناطیسی مشغول بوده است.

تک‌قطبی‌های مغناطیسی به روش‌های متعددی می‌توانند ساخته شوند. مثلا دانشمندان MoEDAL به دنبال نشانه‌هایی از تولید تک‌قطبی از فوتون‌های مجازی هستند. فوتون‌های مجازی نیروی الکترومغناطیسی را بین دو حامل بار حمل می‌کنند، اما به‌عنوان ذرات آزاد وجود ندارند.

فوتون‌های مجازی را می‌توان با کوبیدن ذرات با سرعت‌های بسیار بالا به یکدیگر ایجاد کرد. فیزیکدانان نظری دو راه را پیشنهاد کرده‌اند که از این طریق می‌توانند تک‌قطبی‌های مغناطیسی تولید کنند. یکی شامل ادغام دو فوتون مجازی است و دیگری که به فرآیند Drell-Yan معروف است، قادر به تولید یک تک‌قطبی از یک فوتون مجازی است.

اگرچه ممکن است انتظار داشته باشیم بهترین راه برای یافتن یک تک‌قطبی مغناطیسی از طریق میدان مغناطیسی آن باشد، لزوماً این‌طور نیست. یکی از ویژگی‌های اساسی تک‌قطبی‌های نظری آن است که آن‌ها بار زیادی را حمل می‌کنند. کشف چنین جسمی با بار الکتریکی بالا (HECO) نشان‌دهنده وجود فیزیک خارج از مدل استاندارد است و به‌طور خاص، سرنخ بزرگی برای تک‌قطبی‌های سرگردان باشد، هرچند می‌توان اجرام عجیب‌وغریب دیگری را نیز مانند بقایای ریزسیاهچاله‌های میکروسکوپی مسؤول چنین پدیده‌هایی دانست.

پژوهشگران آزمایش MoEDAL محدودیت‌های پایین‌تری را برای جرم یک تک‌قطبی تعیین می‌کنند که می‌نویسند «به‌مراتب قوی‌ترین موارد منتشرشده تا به امروز» است. با انجام این کار، آن‌ها ادعا می‌کنند که از آزمایش بسیار بزرگ‌تر ATLAS که از LHC برای همان هدف استفاده می‌کرد، فراتر رفته‌اند.

مکانیسم شوینگر

پیش‌چاپ دوم، جست‌وجوی متفاوتی را مبتنی بر مکانیسم نظری شوینگر توصیف می‌کند. این مکانیسم زمانی رخ می‌دهد که یون‌های عناصر سنگین در طول اولین اجرای LHC به هم برخورد کردند. مکانیسم شوینگر، پیشن‌ها می‌کند که جریان الکتریکی یا مغناطیسی به اندازه کافی قوی می‌تواند ذراتی را از خلأ خلق کند. اگر تک‌قطبی‌ها ذراتی مرکب باشند، مکانیسم شوینگر می‌تواند نخستین و بهترین راه برای مشاهده آن‌ها باشد.

پژوهشگران در این روش به بررسی این ایده پرداختند که آیا ممکن است تک‌قطبی‌ها در حین آزمایش سرن، ایجاد شده باشند، ولی در جایی از LHC به دام افتاده و نادیده گرفته شده باشند. هرچند نشانه‌ای بر درستی این ایده یافت نشد، اما فیزیکدانان به این نتیجه رسیدند که برای ساختن یک تک‌قطبی مغناطیسی، انرژی زیادی لازم است؛ به‌طوری‌که با اطمینان ۹۵ درصد می‌توان گفت که جرم آن‌ها باید بیش از ۸۰ میلیارد الکترون‌ولت (۸۰ GeV) باشد.

صدالبته که این یافته‌ها، بسیاری از فیزیکدانان نظری را شگفت‌زده نخواهد کرد. تک‌قطبی‌های مغناطیسی راه را برای دستیابی به نظریه‌های یکپارچه بزرگ هموار خواهند کرد، نظریاتی که به دنبال سازگار کردن مکانیک کوانتومی با گرانش هستند. بر اساس رهیافت‌های نظریه یکپارچه بزرگ، تک‌قطبی‌های مغناطیسی می‌بایست جرم‌های عظیمی از مرتبه هزاران میلیارد الکترون‌ولت داشته باشند و بار آن‌ها دست‌کم ۲ یا ۳ برابر بار پلانک خواهد بود.