Физики определили нижнюю границу массы магнитных монополей

Физики определили нижнюю границу массы магнитных монополей

Гипотетические магнитные монополи могут рождаться в столкновениях тяжелых ионов или в сильных магнитных полях нейтронных звезд. Физики из Имперского колледжа Лондона теоретически рассмотрели эти процессы и рассчитали нижнюю границу для возможной массы монополей — она оказалась чуть меньше массы протона. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.

Из классической теории электромагнетизма следует, что магнитных монополей (то есть магнитных зарядов) не существует. Другими словами, сколько бы вы не делили магнит на более мелкие кусочки, у каждого кусочка обязательно будет северный и южный полюс. На это прямо указывает одно из уравнений Максвелла, утверждающее, что поток магнитного поля через произвольную поверхность равен нулю.

Однако в квантовой теории поля это не так. В 1974 году Джерард Хоофт (Gerard Hooft) и Александр Поляков независимо обнаружили, что в некоторых теориях существование монополя не только возможно, но и необходимо. Например, в теории великого объединения такие монополи неизбежно возникают как топологические дефекты поля Хиггса. Как и обычный заряд, заряд магнитного монополя квантуется, причем произведение наименьшего магнитного и электрического зарядов примерно равно 2π (в системе единиц ħ = c = 1). Этот факт Поль Дирак открыл еще в 1931 году, когда пытался теоретически объяснить квантование обычного заряда. Подробнее про открытие и свойства монополей можно прочитать в этой статье.

И хотя с зарядом магнитного монополя все более-менее понятно, с его массой дело обстоит гораздо сложнее. Разные теории дают разные оценки, хотя все они и сходятся на том, что масса должна быть очень большой (кто-то говорит, что она составляет целых 1016 гигаэлектронвольт). На данный момент ученые поставили несколько экспериментов, в которых они ограничили сечение рождения монополей в столкновениях тяжелых ионов, измерили поток монополей в космических лучах или галактических магнитных полях. Но теоретических оценок на эти значения не было, поэтому пересчитать их в массу монополя было нельзя.

Физики-теоретики Оливер Гулд (Oliver Gould) и Артту Раджанти (Arttu Rajantie) наконец разработали теоретические модели описанных процессов, а затем сравнили их с экспериментальными данными и нашли, какие ограничения на массу магнитного монополя из этого следуют. Примечательно, что результаты их вычислений не зависят от исходной теории, поскольку физики работали в «квазиклассическом приближении», в котором внутренняя структура монополей не учитывается. В кавычки слова взяты потому, что в этом приближении теоретики раскладывались не по степеням ħ (как обычно), а по другому малому параметру.

Сначала ученые рассчитали, как часто монополи рождаются в результате столкновений тяжелых ионов, которые происходят, например, на коллайдерах. В подобных столкновениях возникают маленькие участки пространства с очень большими магнитными полями и температурами, физики назвали их «файерболами» (fireball). Магнитные монополи могут рождаться только в таких маленьких областях, поэтому вероятность этого процесса будет пропорциональна объему «файербола» и сечению собственно процесса взаимодействия. При этом вероятность существенно зависит от массы и заряда монополя. Подставляя в формулу данные экспериментов и известные параметры, физики нашли, что масса магнитного поля не может быть меньше двух гигаэлектронвольт. Кроме того, теоретики рассмотрели рождение монополей на поверхности нейтронных звезд, где температура и величина магнитного поля тоже могут достигать огромных значений. Если они там действительно образуются, магнитное поле будет рассеиваться, причем тем сильнее, чем меньше будет масса монополей. Поэтому магнитное поле звезды не может быть больше некоторого предельного значения. В то же время, астрофизикам известны магнетары, в которых магнитные поля достигают 1015 Гаусс. Отсюда тоже можно вытащить ограничение на массу монополя, только оно получается менее строгим, чем в случае столкновений ионов — около 0,7 гигаэлектронвольт, что составляет примерно 75 процентов от массы протона (938 мегаэлектронвольт).

Впрочем, физики отмечают, что ограничение на массу монополя, найденное из сечения столкновений тяжелых ионов, может быть не совсем верным, поскольку оно получено в приближении постоянного магнитного поля. На самом деле во время столкновения магнитное поле сильно меняется. Поэтому физики считают по-настоящему надежным все-таки значение 0,7 гигаэлектронвольт.

N+1

Похожие новости:
Физики скрутили из конденсата Бозе-Эйнштейна монополь
Физики провели моделирование свойств гипотетической частицы - монополя Дирака - с использованием конденсата Бозе-Эйнштена. Статья ученых появилась в журнале Nature, а ее краткое изложение приводит Phys.org. Конденсат Бозе-Эйнштейна (КБЭ) представляет собой особое агрегатное состояние вещества, и состоит из бозонов, ..
2014-01-31 1701 0 Научные открытия
1
Геофизики определили «потерянный элемент» ядра Земли
Японские геофизики определили природу потерянного элемента ядра Земли — третьего после железа и никеля основного компонента недр планеты. О своем открытии ученые рассказали на конференции Американского геофизического союза, состоявшейся в декабре 2016 года в Сан-Франциско, кратко ..
2017-01-11 4487 0 Научные открытия
0
Найдено безболезненное средство против камней в почках
Американские исследователи из Университета в Хьюстоне выяснили, что натуральный растительный экстракт способен растворить оксалат кальция — компонент камней в почках человека. О своем открытии ученые рассказали в статье, опубликованной в журнале Nature.Химики определили, что соединение, называемое гидроксицитратом, является эффективным ..
2016-08-09 3407 0 Научные открытия
0
Физики предложили объяснение трехмерности Вселенной
Физики из Великобритании, США, Германии и Португалии попробовали объяснить пространственную трехмерность наблюдаемой Вселенной и указать на возможные причины ее раннего инфляционного расширения. Препринт своего исследования авторы выложили на ресурсе arXiv.org, а кратко с ним можно ознакомиться на сайте New Scientist. Согласно выдвинутой ..
2015-09-03 4595 0 Научные открытия
1
Ученым нужны не столько деньги, сколько условия
Зарплаты ученых в нашей стране сегодня несопоставимы с окладами чиновников. Как в такой ситуации остановить утечку мозгов из России? И как привлечь уехавших за границу ученых обратно? Об этом в эфире "Утра России" рассуждал доктор биологических наук, профессор Константин Северинов.Источник: utro-russia.ru ..
2012-05-30 1021 0 Научные открытия
0
Вместо одной Африки скоро будут две?
Австралийские ученые выяснили, что Африка через какое-то время может расколоться на две части. Они исследовали рифт (границу между двумя литосферными плитами) Руква в Танзании и поняли, что тектоническая активность данного места до сих пор весьма высока. Любопытно, что все процессы, происходящие там, ..
2012-04-16 1300 0 Научные открытия
0
Физики нашли антиматерию в двухкилометровом грозовом облаке
Физики рассказали об обнаружении в атмосфере Земли облака антиматерии. Согласно расчетам ученых, размеры грозового облака, в котором содержится антивещество, достигают двух километров в поперечнике. Об этом сообщается на сайте Nature. Антиматерию физики определили по ее аннигиляции — реакции между материей ..
2015-05-15 7263 0 Научные открытия
4
Рождение знаменитой черной дыры
Впервые в истории астрономы создано полное описание черной дыры, материя в которой настолько плотна, что даже свет не может преодолеть ее чудовищную гравитационную силу. Беспрецедентно точные измерения позволили реконструировать историю этого объекта, начиная с момента его рождения ..
2011-11-28 4050 1 Научные открытия
0
Гены, которые порождают смерть
Ученые клиники Майо в штате Флорида в США определили ген, который фактически инициирует развитие одной из самых распространенных форм рака легких. Новое открытие опубликовано в журнале “PLoS ONE”, сообщает “Новый Обзор“. Название этого гена звучит так: ..
2012-05-15 1712 0 Научные открытия
0
Обнаружено самое первое животное планеты
Первое животное планеты было похоже на современные морские губки. Открытие "предка всех живых существ" отодвигает на несколько миллионов лет вглубь веков дату появления животных на Земле. Окаменелости древних существ, отдалённо напоминающих вазочки, международная команда учёных ..
2012-02-8 4562 1 Научные открытия
0
Ученые определили, когда живые организмы начали видеть
Ученые из Великобритании и Ирландии заявили, что организмы научились различать свет раньше, чем считалось ранее. К таким выводам ученых привел анализ генов, отвечающих за производство светочувствительных белков опсинов, и компьютерное моделирование их развития у живых существ.Ранее среди ученых не было ..
2012-11-1 1922 0 Научные открытия
0
Физики выстрелили лазерным импульсом рекордной мощности
Лазер в Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций установил новый рекорд мощности. Об этом сообщаютNature News. Рекорд был установлен еще 15 марта, однако известно об этом стало только сейчас. В рамках эксперимента 192 лазера, работающих в ультрафиолетовом диапазоне, одновременно создали импульс ..
2012-03-21 1499 0 Научные открытия
0
Открыт ген добра
Американские ученые выяснили, что причины человеческой доброты кроются не только в хороших примерах матерей, но и в соответствующих генных структурах. Об этом пишет интернет-ресурс ScienceDaily, сообщает "Новый Обзор". Исследователи двух американских университетов в Буффало и Калифорнии определили, что не последним толчком для добрых ..
2012-04-16 1810 0 Научные открытия
0
Ученые нашли старейшего долгожителя среди морских животных
Американские ученые обнаружили в Тихом океане вид черных кораллов, способных жить до четырех тысяч лет. Этот срок делает их старейшими долгожителями среди морских организмов планеты, сообщает CBS News со ссылкой на журнал Zootaxa. Leiopathes annosa окрашен в золотисто-коричневый цвет, ..
2015-07-06 6465 0 Научные открытия
-1
Придуман способ полного уничтожения ВИЧ
Исследователи из Монреаля выявили клетки, которые играют роль убежищ для ВИЧ во время антиретровирусной терапии. Открытие может помочь разработать новые методы лечения , направленные на устранение резервуаров с затаившимся вирусом. Результаты исследования ученых опубликованы в журнале PLOS Pathogens.Антиретровирусная ..
2016-07-15 2592 0 Научные открытия
0