Ученые из Ноттингемского университета в сотрудничестве с международной группой провели новое исследование, используя выведенную из эксплуатации секцию пучковой трубы Большого адронного коллайдера (БАК) в ЦЕРНе. Целью исследования было проверить существование магнитных монополей, гипотетических элементарных частиц, представляющих собой изолированный магнит с одним магнитным полюсом (северным или южным).
Исследование, опубликованное в Physical Review Letters, позволило установить самые строгие ограничения на существование магнитных монополей, раздвигая границы того, что известно об этих неуловимых частицах. Ведущим теоретиком исследования является Оливер Гулд, стипендиат Дороти Ходжкин в Школе физики и астрономии Ноттингемского университета. Он отметил, что подтверждение существования магнитных монополей стало бы для физики преобразующим фактором, хотя до сих пор экспериментальные поиски не увенчались успехом.
Группа сосредоточила свои поиски на выведенной из эксплуатации секции пучковой трубы LHC в ЦЕРНе, Европейской организации ядерных исследований. Исследование «Monopole and Exotics Detector at the LHC (MoEDAL)» изучало секцию трубы пучка бериллия, которая находилась в точке столкновения частиц для эксперимента «Compact Muon Solenoid» (CMS). Эта труба выдержала излучение от миллиардов столкновений ионов сверхвысокой энергии, произошедших всего в нескольких сантиметрах от неё.
Адитья Упрети, аспирант, руководивший экспериментальным анализом во время работы в группе MoEDAL профессора Островского в Университете Алабамы, пояснил: «Близость пучковой трубы к точке столкновения ультрарелятивистских тяжёлых ионов даёт уникальную возможность исследовать монополи с беспрецедентно высокими магнитными зарядами. Поскольку магнитный заряд сохраняется, монополи не могут распадаться и, как ожидается, будут захвачены материалом трубы, что позволяет нам надёжно искать их с помощью устройства, непосредственно чувствительного к магнитному заряду».
Учёные исследовали образование магнитных монополей во время столкновений тяжёлых ионов на LHC, которые генерировали магнитные поля даже сильнее, чем у быстро вращающихся нейтронных звёзд. Такие интенсивные поля могут привести к спонтанному созданию магнитных монополей через механизм Швингера.
Оливер Гулд добавил: «Наши прогнозы показали, что это может быть самое многообещающее место на Земле для обнаружения магнитного монополя».
Сотрудничество MoEDAL использовало сверхпроводящий магнитометр для сканирования пучковой трубы на предмет сигнатур захваченного магнитного заряда. Хотя они не обнаружили доказательств существования магнитных монополей, результаты исключают существование монополей легче 80 ГэВ/c² (где c — скорость света) и предоставляют ведущие в мире ограничения для магнитных зарядов в диапазоне от двух до 45 базовых единиц.
Теперь исследовательская группа планирует расширить свои поиски. Оливер заключает: «Используемая нами секция была из первого запуска Большого адронного коллайдера, который был проведён до 2013 года и при более низких энергиях. Расширение исследования до более позднего запуска при более высоких энергиях может удвоить наши экспериментальные возможности».