Почему все частицы во Вселенной обладают целым электрическим зарядом? Почему в природе не встречаются объекты с зарядом, например, в тысячу раз меньше, чем у электрона? Этот вопрос десятилетиями мучает физиков. Сейчас, благодаря новым теориям и экспериментам на Большом адронном коллайдере, наука вплотную подошла к разгадке. Возможно, мы стоим на пороге открытия, которое перепишет законы электромагнетизма и объяснит тайну темной материи.
Электрический заряд — фундаментальное свойство материи. Электроны, протоны, ионы — все они несут заряд, кратный элементарной единице: 1,6 × 10⁻¹⁹ кулонов. Эта величина настолько мала, что в обычной жизни мы не замечаем дискретности заряда. Но в микромире частиц это правило работает без исключений: заряд всегда целый.
Однако есть нюанс. Кварки — частицы внутри протонов и нейтронов — имеют дробные заряды: +2/3 или -1/3. Но они никогда не существуют поодиночке, только в комбинациях, где суммарный заряд становится целым. Это намекает: природа не запрещает дробные заряды в принципе. Почему же их нет в свободном виде?
Загадка целого заряда и теория Дирака
В 1931 году британский физик Поль Дирак совершил неожиданное открытие. Он предположил существование магнитного монополя — частицы с изолированным северным или южным полюсом. В природе магниты всегда двуполярны, но Дирак математически доказал: если монополи существуют, то электрический заряд обязан квантоваться, то есть принимать только целые значения.
Объяснение простое: монополь создает вокруг себя магнитное поле, а электрон, двигаясь по орбите вокруг него, должен подчиняться законам квантовой механики. Расчеты показали: для совместимости этих условий заряд электрона должен быть кратен определенной величине. Чем сильнее магнитный заряд монополя, тем меньше минимальная порция электрического заряда.
Парадокс в том, что монополи так и не обнаружены. Их искали в антарктических льдах, космических лучах, древних породах — безрезультатно. Это ставит под вопрос саму идею Дирака. Либо монополи скрываются где-то в недоступных для наблюдения областях, либо теория требует пересмотра.
Теория струн и скрытые измерения
В 1985 году физики Эдвард Виттен и Сяо-Ган Вэнь перенесли расчеты Дирака в рамки теории струн. Согласно этой гипотезе, элементарные частицы — не точки, а вибрирующие струны в 10-мерном пространстве. Шесть дополнительных измерений «свернуты» до невероятно малых размеров.
Виттен и Вэнь обнаружили: в зависимости от геометрии этих измерений, магнитный заряд монополя может быть в пять раз больше, чем предсказывал Дирак. А значит, минимальный электрический заряд — в пять раз меньше заряда электрона. Более того, такие частицы могли бы существовать как струны, обернутые вокруг «дыр» в скрученных измерениях.
Позже другие теоретики пошли дальше. Они предположили: если монополи обладают гигантскими магнитными зарядами, то электрические заряды частиц могут быть не просто дробными, а исчезающе малыми — например, тысячные доли от заряда электрона. Эти гипотетические объекты назвали «миллизарядами».
Темная материя и «темный сектор»
Миллизаряды могут решить еще одну загадку — природу темной материи. Раньше считали, что она состоит из тяжелых частиц (вимпов), но поиски не увенчались успехом. Теперь физики предполагают: темная материя — сложная система из множества частиц, подобная обычной материи.
Симуляции показывают: если часть этих частиц обладает крошечными зарядами, их взаимодействие с обычным веществом объясняет наблюдаемое распределение галактик. Например, миллизаряды с массой протона и зарядом в 0,001 от электронного могут составлять до 5% темной материи. «Удивительно, но такие параметры идеально согласуются с данными о структуре Вселенной», — говорит Джонатан Фэн, физик из Калифорнийского университета.
Охота в ЦЕРНе
С 2023 года в ЦЕРНе идут эксперименты по поиску миллизарядов. Установки MAPP, milliQan и FORMOSA ловят частицы, рождающиеся при столкновениях протонов в Большом адронном коллайдере (БАК).
- MAPP — модернизация детектора MoEDAL, изначально созданного для поиска монополей. Он расположен на глубине 100 метров, чтобы экранировать помехи от космических лучей. Сцинтилляторы в MAPP светятся при попадании заряженных частиц, а сверхчувствительные датчики фиксируют даже слабые сигналы.
- milliQan — наземный детектор, защищенный слоем свинца и бетона. Он способен улавливать частицы с зарядом до 0,01 от электронного. В 2024 году его модернизировали, повысив точность измерений.
- FORMOSA — эксперимент, предложенный Ю-Даем Цайем. Его детекторы настроены на поиск частиц в специфическом диапазоне масс и зарядов, дополняя данные MAPP и milliQan.
«Если монополи существуют, то миллизаряды почти наверняка тоже есть», — говорит Джеймс Пинфолд, руководитель MoEDAL.
Связь с рождением Вселенной
Обнаружение миллизарядов прольет свет на первые мгновения после Большого взрыва. Согласно теории, за инфляцией — сверхбыстрым расширением Вселенной — последовала «эпоха рехитинга», когда энергия инфляции превратилась в частицы. Температура в этот период определяла, какие частицы смогли образоваться.
Если миллизаряды существуют, их масса и заряд зависят от температуры рехитинга. Обнаружив их, ученые смогут реконструировать условия ранней Вселенной. «Это как найти термометр, замерший в момент ее рождения», — объясняет Ю-Дай Цай.
Виртуальные монополи и квантовые фокусы
В 2024 году группа Ника Мавроматоса из King’s College London предложила новый метод поиска монополей. Вместо того чтобы ждать их появления в столкновениях, физики решили создать монополи искусственно.
Квантовая теория допускает рождение пар «виртуальных частиц» в вакууме. Если приложить мощное магнитное поле, эти пары можно разделить, превратив в реальные частицы. В БАК столкновения тяжелых ядер свинца генерируют поля в 10¹⁶ тесла — сильнее, чем у нейтронных звезд. Мавроматос считает: этого достаточно, чтобы вырвать монополь из вакуума.
Первый эксперимент в 2023 году не принес результата, но после модернизации БАК к 2030 году шансы возрастут. «Даже отрицательный результат важен — он сужает параметры поиска», — говорит Мавроматос.
Post Scriptum
Физика стоит на пороге революции. Если эксперименты в ЦЕРНе обнаружат миллизаряды, это подтвердит связь между темной материей, теорией струн и рождением Вселенной. Более того, мы получим ключ к объединению квантовой механики и гравитации — главной цели современной науки.
Но даже если поиски займут еще десятилетия, они уже меняют наше понимание реальности. Как писал Дирак: «Красота уравнения важнее его согласия с экспериментом». Возможно, красота новых теорий скоро найдет подтверждение в данных детекторов.
-----
Если понравился материал и вы считаете его познавательным и стоящим вашего внимания, вы можете поддержать автора «трудовым рублем» по ссылке ниже 👇👇👇 либо нажать на кнопку «Поддержать» чуть ниже этого сообщения (с правой стороны).
