Továbbra sincs mágneses monopólus

2006.09.18. 12:01

A kitartó keresés ellenére továbbra sem találnak a kutatók mágneses monopólust, pedig az elméletek szerint léteznie kell.

Legutóbb a chicagói Fermi Nemzeti Laboratórium kutatói több mint 10 billió részecskeütközés átvizsgálása után egyetlen egy monopólust sem találtak - a Physical Review Letters hasábjain nemrég közölt tanulmányuk szerint.

Az elektromos töltés kétféle: pozitív vagy negatív. A mágneses töltés, mágneses pólus is kétféle lehet: északi és déli - de az elektromos töltéssel ellentétben a mágneses töltések nem válnak szét és nem is választhatók szét. A kettétört mágnesrúdból nem lesz egy külön északi és egy külön déli mágnességű rúd, a rúddarab is kétpólusú lesz. A hétköznapokban nem találkozunk mágneses egypólussal.

Paul A. M. Dirac, a 20. század egyik legnagyobb elméleti fizikusa 1931-ben mutatta ki, hogy az elektromos töltés csak akkor lehet kvantált , ha létezik legalább egy mágneses monopólus. Az pedig kísérletileg sokszorosan igazolt tény, hogy az elektromos töltés nem vesz fel tetszőleges értékeket, hanem kvantált, nagysága mindig az elemi töltés egész számú többszöröse. Dirac egyszerű összefüggéssel írta le az elektromos és a mágneses töltés kapcsolatát, de ez az egyenlet nem adja meg egyértelműen a mágneses töltés nagyságát, mert szerepel benne egy egész szám, ami tetszőleges értéket vehet fel. Ha ezt a számot a lehetséges legkisebbnek, vagyis 1-nek választjuk, akkor a mágneses töltés nagysága az elektromos töltés 68,5-szeresének adódik. Az elektromos töltés kvantáltsága máig a fizika alapvető rejtélyei közé tartozik, ezért alapvető feladat lenne a mágneses monopólus megtalálása.

A kutatók tehát nekiláttak a mágneses monopólus keresésének. Feltételezték, hogy a világűrből érkező monopólusokat csapdába ejtik az anyagok, és a töltésmegmaradás követelménye miatt a mágneses monopólus nem tud elbomlani, átalakulni. Érzékeny mágneses mérésekkel monopólusokat kerestek az Antarktiszon talált meteoritokban, a tengerek fenekéről felhozott kőzetekben, a Holdról hozott mintákban - de hiába, egyetlen monopólust sem találtak. 1982 elején a Stanford Egyetem kutatói magányos, szabad mágneses monopólust véltek észlelni a kozmikus sugárzásban, de később mérési hibának minősítették ezt az eseményt.

A fizikusok régi törekvése az alapvető kölcsönhatások (elektromágneses, gyenge, erős, gravitációs) egységes elméletének a megalkotása. Az 1970-es évek közepén ismerték fel, hogy a nagy egyesítés során az elméletben megjelenik a mágneses monopólus. Az elektrogyenge (egyesített elektromágneses és gyenge) és az erős kölcsönhatás egységesítésére végzett számítások egy körülbelül 10 billió (1013) teraelektronvolt tömegű mágneses monopólus feltételezésére vezettek. Ez a tömeg hatalmas, a proton tömegének a tíztrilliószorosa (1016  protontömeg). Ekkora energiát részecskegyorsítóval elképzelhetetlen létrehozni, tehát kár a hatalmas tömegű monopólus laboratóriumi létrehozásával próbálkozni.

A helyzet mégsem teljesen reménytelen, mert vannak olyan megalapozott elméleti számítások is, amelyek sokkal kisebb, mindössze 10 teraelektronvolt körüli tömeggel bíró mágneses monopólusokat jósolnak. Ez az energiatartomány sem érhető el a mai legnagyobb gyorsítókkal, de hamarosan a közelébe juthatunk. A Fermi Nemzeti Laboratórium Tevatronjában 1 teraelektronvolt energiájú protonokat ütköztetnek ugyanilyen energiájú antiprotonokkal. A nagyenergiájú ütközésekben sokféle részecske keletkezik, monopóluspárok is keletkezhetnek, ha a monopólus tömege 1 teraelektronvoltnál kisebb.

Ahogy Dirac egyenlete megmutatta, a mágneses töltés mindenképpen jóval nagyobb az elektromos töltésnél, ez pedig azzal a következménnyel jár, hogy egy mozgó mágneses töltés az útja mentén sokkal nagyobb ionizációt vált ki, mint egy egyszeres elektromos töltésű részecske. Erre figyelve kezdték keresni a kutatók a részecskeesemények sokaságában a monopólusokat. A monopólus legalább 500-szor erősebb fényt kelt az észlelőrendszerben, mint egy szokásos nagyenergiájú részecske. A mérési időszakban a gyorsítóban 10 billió proton-antiproton ütközést figyeltek meg. Ezek közül azt a százezret vették alaposan szemügyre, ahol a fényesség legalább 30-szor volt nagyobb egy relativisztikus sebességgel mozgó pion vagy proton keltette fénynél. A fényfelvillanás mellett más jelei is vannak a monopólus megjelenésének, ezeket is keresték. Gondos elemzés után egyetlen mágneses monopólust sem azonosítottak, így végül csak egy felső határt szabtak a monopólusok gyakoriságára.

Jövőre már megkezdik a részecskegyorsítást a genfi CERN-ben épülő nagy hadron ütköztetőben (LHC). Ebben a gyorsítóban 7 teraelektronvolt energiájú protonok ütköznek egymással, tehát szerencsés esetben legfeljebb 7 teraelektronvolt tömegű monopólusokat találhatnak.

Jéki László

KAPCSOLÓDÓ CIKK