Nu skal LHC lede efter magnetiske monopoler

Om et halvt år vil Large Hadron Collider ved Cern igen være i fuld sving efter en større ombygning.

Med de store detektorer vil fysikerne fortsætte med at studere Higgs-bosoner og lede efter tegn på såkaldte supersymmetriske partikler. Nu med næsten dobbelt så megen energi i protonsammenstødene som før ombygningen.

En lille gruppe fysikere har et specielt håb om, at partikelkollisionerne kan give anledning til dannelse af magnetiske monopoler.

De har under ombygningen af acceleratorringen fået installeret udstyr ved den mindste af de fire store detektorer, LHCb, der sigter mod at detektere og indfange magnetiske monopoler. I modsætning til Higgsbosoner, hvis levetid er helt nede omkring 10^-22 sekunder, så er magnetiske monopoler stabile – hvis de vel at mærke eksisterer.

Eksperimentet hedder MoEDAL, som er en forkortelse for Monopole and Exotics Detector At the LHC.

Det har været diskuteret seriøst i mere end 80 år, om magnetiske monopoler findes. Om de i det hele taget kan dannes i LHC, hvis de altså eksisterer, anser mange ydermere for tvivlsomt, da mange teorier forudsiger, at deres masse er alt for stor til, at det er muligt.

Måneklipper hentet hjem med Apollomissionerne, meteoritter og den kosmiske stråling er forgæves blevet undersøgt for indhold af magnetiske monopoler.

En nylig analyse af klippemateriale fra Grønland og Island, bl.a. hentet fra danske arkiver fandt heller ingen og viste, at der højst kan være en magnetisk monopol pr. 10 kg klippemateriale.

Så oddsene er ikke alt for gode for MoEDAL-projektet.

»Det vil kræve, vi er heldige, men jeg mener, vi skal lede alle steder,« siger Joe Polchinski fra University of California, Santa Barbara, der ikke er en del af projektet, men som er en førende teoretiker på området.

Han tilføjer, at af alle de nye ting, som partikelfysikerne har beskrevet, men endnu ikke fundet – som supersymmetri og strengteori – så har han størst tiltro til magnetiske monopoler.

Diracs forudsigelse

De magnetiske egenskaber af magnetjernsten (magnetit, Fe3O4) blev studeret af de græske filosoffer for mere end 2.500 år siden – Magnesien, hvor disse sten er fundet, er en lille region i Grækenland.

Den første til at give en videnskabelig beskrivelse var dog franskmanden Petrus Peregrinus de Maricourt. I Epistola de Magnete fra 1269 beskrev han eksperimenter med magnetjernsten og forklarede, at magneter havde to poler, som han som den første kaldte nordpol og sydpol.

Da den skotske fysiker James Clerk Maxwell i 1864 udviklede en elektromagnetisk teori, som Oliver Heaviside efter Maxwells død reformulerede på smuk vis i de fire Maxwell-ligninger, udelod han isolerede magnetiske ladninger i sin teori, da man aldrig havde observeret sådanne. Det førte til en nyttig forenkling, men også til asymmetriske ligninger – som ikke alle var lige begejstrede for.

Den franske fysiker Pierre Curie beskrev således i 1894 ud fra symmetriovervejelser, at der sådan set ikke var nogen grund til, at frie magnetiske ladninger ikke kunne findes, uden at det var en garanti for, at dette også var tilfældet.

I 1931 viste Paul Dirac, at magnetiske monopoler var konsistent med kvantemekanikken.

Dirac havde i 1928 ligeledes på rent teoretisk grundlag postuleret eksistensen af elektronens antipartikel (positronen), som i 1932 blev observeret første gang som værende del af den kosmiske stråling, der rammer Jorden.

På denne baggrund fik Diracs nye forudsigelse af endnu en ikke kendt partikel ekstra stor opmærksomhed.

Det skyldtes ikke mindst, at Dirac også kunne vise, at eksistensen af magnetiske monopoler kunne forklare, hvorfor elektrisk ladning var kvantiseret – altså ikke kunne antage alle værdier.

Da der ikke fandtes andre forklaringer herpå, blev Diracs budskab godt modtaget.

Dirac kunne desuden vise, at den magnetiske ladning var n×137/2 gange så stor som elektronens ladning, hvor n er et heltal, som hans teori ikke tillod ham at bestemme nærmere, selv om Dirac nok hældte til, at n=1.

Dirac spekulerede selv lidt over årsagen til, at frie magnetiske poler aldrig havde været observeret.

Han mente, en forklaring kunne være, at den store værdi for den magnetiske ladning bevirkede, at de tiltrækkende kræfter mellem poler af modsat fortegn var (137/2)² = 4.692,25 gange større end tiltrækningskraften mellem en elektron og en proton (med n=1).

Analogier til magnetiske monopoler kendes inden for faststoffysik og atomfysik.

I eksotiske materialer som Dy2Ti2O7 har man en struktur, der minder om forholdene i is (H2O) og som derfor kaldes spin is. I dette materiale kan findes kvasipartikler, der teoretisk er en pendant til magnetiske monopoler.

I en ultrakold sky af rubiumatomer er der skabt en anden analogi til en magnetisk monopol, der opstår i forbindelse et fænomen, som matematisk minder så meget om et magnetisk felt, at det kaldes for et syntetisk magnetisk felt.

Monopolen er tung

Teoretikerne er dog siden hen kommet med et bedre bud på, hvorfor ingen magnetiske monopoler er observeret til dato:

Det er, at de er meget tunge.

Partikelfysikere gør ofte masse op i energienheden gigaelektronvolt, idet man omregner masse til energi ud fra Einsteins formel E=mc².

Protonen har på denne skala en masse meget tæt på 1 GeV. Higgsbosonen har en værdi på 125 GeV.

Tidligere forsøg hos Cern har stort set udelukket magnetiske monopoler op til 102 GeV, og forsøg ved Fermilab i USA har sat en nedre grænse ved 850 GeV.

Visse teorier sætter værdien for monopolens masse helt op til 10^15 GeV eller ca. 2 nanogram. Hvis massen er så høj, er der intet håb om at danne magnetiske monopoler i LHC.

Sådanne supertunge magnetiske monopoler kan kun være dannet i den allerførste brøkdel af et nanosekund efter Big Bang – på samme tid hvor astrofysikerne mener, at universet gennemgik en kortvarig, men voldsom udvidelse.

Magnetiske monopoler spiller ingen rolle for velkendte fænomener som magnetisme og magneter, der kan forklares på anden vis.

Som Ørsted viste i 1820, og Ampère beskrev mere præcist samme år, skaber en elektrisk strøm et magnetisk felt.

Mange elementarpartikler som bl.a. elektroner har et intrinsisk magnetisk moment, der er knyttet til kvantemekanikkens spin-begreb. Hvis de magnetiske momenter i et materiale kan ensrettes, bliver materialet magnetisk.

Af samme årsag er en magnetisk monopol ikke en isoleret nord- eller sydpol fra en stangmagnet, men en helt ny elementarpartikel.

Det er denne udvidelse eller inflationsproces, som får eksempelvis Joe Polchinski til at mene, at magnetiske monopoler kan have spredt sig så meget, at der muligvis kun er en enkelt inden for det synlige univers.

Blot en enkelt magnetisk monopol vil dog være nok til at forklare, hvorfor den elektriske ladning er kvantiseret.

Andre teorier sætter dog værdien i nærheden af 1.000 GeV eller 1 TeV. Hvis det er tilfældet, kan LHC måske producere monopolerne.

Passiv detektor

MoEDAL-detektoren er en såkaldt nuclear track detector (NTD), der indeholder en stak 25×25 cm store plastlag med en samlet overflade på 100 kvadratmeter.

Hvis en magnetisk monopol trænger ind i detektoren, vil den høje magnetiske ladning bryde de kemiske bindinger i polymeret. Størrelsen, formen og retningen for det spor, som partiklen sætter, vil give information om partiklen.

Andre partikler, der dannes i partikelsammenstødene, vil kun sætte svage spor og kan ikke gennembryde hele stakken som en magnetisk monopol.

I modsætning til opdagelsen af Higgs-bosonen, som krævede store datamængder for at udelukke statistiske fluktuationer i observationerne, vil selv et enkelt spor gennem hele stakken være nok til at være en opdagelse.

Detektoren indeholder desuden en magnetic monopole trapper (MMT), der kan tilbageholde magnetiske monopoler til efterfølgende undersøgelser.

NTD-stakken og MTT vil blive udskiftet en gang om året.

Der er tale om en fuldstændig passiv detektor, der ikke baserer sig på triggersystemer og de begrænsninger, der findes ved realtime elektronisk udlæsning fra de store detektorer ved LHC.

Ud over magnetiske monopoler vil det være muligt at detektere andre eksotiske partikler (E’et i MoEDAL) som dyoner, der er hypotetiske partikler, der rummer både en elektrisk og en magnetisk ladning.