【48812】磁单极子的质量下限

时间: 2024-08-04 08:34:52 |   作者: Kaiyun最新官网_产品类型

　　电与磁具有高度的相似性。但是，它们又有着底子的不同：天然界都会存在着独自带着正电荷或负电荷的粒子，但独自带着南磁极或北磁极（单一“磁荷”）的磁单极子（Magnetic monopole）却好像并不存在。磁体总是一起具有南北两个磁极，不管将其切割到多么小，咱们总会得到一起具有南北磁极的磁体。

　　1931年，英国物理学家狄拉克（Paul Dirac）提出了磁单极子理论，他指出，只需世界中存在任何一个磁单极子，电荷的量子化现象（即任何带电物体的电荷量都是基本电荷的整数倍）便可以取得天然的解说。当今，包含弦论和大统一理论在内的一些物理理论，也预言了磁单极子的存在。实际上，即便探测到一个磁单极子，也将从底子上改动咱们对电磁学甚至整个物理学的知道。

　　磁单极子理论也激发了凝聚态物理学家的热心。例如，英国牛津大学的卡斯特尔诺沃（C. Castelnovo）及合作者于2007年在理论上提出，具有磁单极子性质的类似物（它们等效于单一“磁荷”，彼此作用力好像电荷那样恪守库仑定律）可以在名为自旋冰（Spin ice）的一类特别磁性资料中存在。2009 年，德、法两国科学家在《科学》（Science）杂志同期宣布文章，报导了他们分别在两种人工自旋冰资料中观测到了磁单极子的类似物。此外，科学家也在液氦超流体等体系中观测到了磁单极子的类似物。但是，这些磁单极子的类似物并非狄拉克所提出的以“基本粒子”方式存在的磁单极子。

　　理论上，磁单极子可以在磁场极强、温度极高的极点环境中自发发生；而且磁单极子质量越小，发生它所需的能量就越小，它也就越简单发生。伦敦帝国理工学院的奥利弗·古尔德（Oliver Gould）和 阿尔图·拉扬蒂耶（Arttu Rajantie）研讨了可以发生磁单极子的两种体系——中子星外表以及原子核磕碰进程，然后给出了磁单极子质量的最小值，相关研讨已于 2017 年 12 月宣布在《物理谈论快报》（Physical Review Letters）上。从理论上预言磁单极子的性质，将对相关的搜索试验发生很重要的指导意义。

　　在原子核磕碰试验中，科学家经过加快器将原子核加快到挨近光速并进行对撞，所发生的细密物质将具有极强的磁场，温度也可以到达太阳中心温度的 10 万倍以上。科学家猜想，假使磁单极子真的存在，应该能在这种环境中发生。由于磁单极子的质量越小，科学家在试验中观测到它的可能性就越大；所以假如它的质量满足小，科学家应该早已观测到它的存在。但是，数十年来，在欧洲核子研讨中心的超级质子同步加快器（Super Proton Synchrotron）的铅核对撞试验中，从未观测到磁单极子的信号，这在某种程度上预示着磁单极子的质量应该不会太小。由此，古尔德和拉扬蒂耶估测，磁单极子质量应该不小于质子质量的 10 倍。

　　中子星构成于大质量恒星逝世时的引力坍缩，一起伴随着超新星的迸发。中子星具有极强的磁场及极高的温度，应当也可以发生磁单极子。发生的磁单极子可以被中子星的磁场加快到挨近光速，然后逃离引力的捆绑。而这一进程会带走中子星磁场的能量，使其磁场强度下降。相同，磁单极子质量越小，就越简单在中子星的内部或外表发生并带走能量；因而，磁单极子质量的大小会影响中子星可以得到的最大磁场强度。经过中子星的磁场强度，他们又推断出，磁单极子的质量下限约为质子质量的1/3。他们一起指出，对中子星内部的深入研讨能愈加进一步准确该下限值。

　　“找到磁单极子的质量下限，十分令人兴奋,”俄克拉何马大学的理论物理学家金博尔·米尔顿（Kimball Milton）说，“当然，假如有人真的发现磁单极子，就更令人兴奋了。”

　　当时，科学家在理论上提出了不同的磁单极子的发生机制，一起也会给出不同的磁单极子质量。拉扬蒂耶表明，他们这项研讨给出的磁单极子的质量最小值，是现在不依赖于这些磁单极子发生机制的最好成果。2018年，欧洲核子研讨中心将经过大型强子对撞机进行铅核对撞试验，并持续寻觅磁单极子，其间的MoEDAL 探测器（Monopole and Exotics Detector at the LHC）将是寻觅它的抱负场所。

　　磁单极子是不是真的存在仍是一个谜：或许它底子不存在，电与磁的对称性也因而并不完美；或许它的质量太大，只能在能量极高的世界大爆炸中发生。但是，有一件事是确认的，对磁单极子的搜索仍将持续下去。