Pusė magneto

Pusė magneto

Vladislav Kobichev, Sergey Popov
"Populiariausi mechanika" №2, 2015

Elementaliųjų dalelių standartinis modelis (SM) apibūdina 61 daleles (Higso bozonas tapo paskutine atvira). Tačiau teoretikai jau seniai aktyviai dirba su įvairiais SM pratęsimais, kurie paprastai leidžia prognozuoti naujas daleles, kurias eksperimentai bando aptikti. Kartais šios paieškos tęsiasi dešimtmečius, kaip ir magnetinio monopolio atveju.

Vienu metu elektromagnetiniai ir magnetiniai reiškiniai buvo laikomi visiškai skirtingais ir nesudarė vienas su kitu. Iš tikrųjų, kas yra įprasta tarp kibirkšties, kuri yra tarp jūsų rankos ir kačių nosies, ir kompaso adatos elgesį? Tačiau laikui bėgant duomenys pradėjo kauptis, kad elektriniai ir magnetiniai reiškiniai "eina kartu". Palaipsniui supratau, kad tai dvi tos pačios monetos pusės. Elektromagnetizmo teorijoje, kurią XIX a. Viduryje sukūrė Jamesas Maxwellas, elektra ir magnetizmas buvo sujungti į vieną elegantiškų lygčių grupę.

Nepaisant to, yra akivaizdus skirtumas. Mes žinome, kad yra du elektriniai mokesčiai, kuriuos galima lengvai atskirti vienas nuo kito.Tačiau niekas nesugebėjo aptikti magnetinių krūvių: jei mes pjauksime magnetą per pusę, mes gausime ne du polius, o du pilno dydžio magnetus. Magneto lauką sukuria molekulinės srovės, tai yra, jis yra susijęs su elektrinių krūvių judėjimu. Todėl magneto poliai negali būti suskirstyti – jie nėra nepriklausomi subjektai, o tik du vadinamosios magnetinio dipolio galai (tiesiogine prasme – dviejų terminalų tinklas). Taip pat yra elektrinių dipolių – pavyzdžiui, yra vandens molekulė, nes elektronų molekulės debesis yra perkeltas iš jo centro. Nors jis paprastai yra neutralus, jonizacija gali padalinti ją į elektroną ir teigiamą įkraunamą joną.

Atskiras šiaurės arba pietų magnetinis polius būtų magnetinis mokestis (ar jų klasteris), tačiau niekas jų dar nepavyko atskirti. Žinomi magnetiniai laukai (ne tik nuolatiniai magnetai, bet, pavyzdžiui, Žemė ir Saulė, kitos planetos ir žvaigždės) generuojami ne magnetiniais krūviais, o elektros srovėmis. Bet jei magnetinio krūvio nėra, tai nėra visiškai elektrodų ir magnetizmo simetrijos?

Negalima dalelė

Pirmosios idėjos apie magnetinių mokesčių egzistavimą pasirodė seniai.Maksvelo lygčių asimetrija magnetinių ir elektrinių reiškinių atžvilgiu yra gana akivaizdi, o simetrija gali būti lengvai atkurta įvedant hipotetinius magnetinius krūvius ir magnetines sroves be pastebimų elektrinių krūvių ir srovių. Pierre Curie pirmą kartą paminėjo šią galimybę savo 1894 m. Pastabose, tačiau kadangi niekas niekada nebuvo stebėjęs tokių mokesčių ir srovių, tai buvo pasakojimo pabaiga.

Norint pasiekti naują hipotezės lygį, reikėjo sukurti kvantinę mechaniką. 1931 m. Paul Dirac, tyrinėjęs elektros energijos ir magnetizmo simetriją, parodė, kad magnetinių įkrovimų įvedimas leidžia elegantiškai išspręsti seniai gamtos paslaptį – elektrinio krūvio kvantavimą. Pasirodo, kad, jei visur egzistuoja bent vienas magnetinis krūvis, visi elektriniai krūviai turi būti dalinio elementinio elektrinio krūvio kartotiniai (magnetiniai įkaičiai taip pat turi būti kvantifikuojami). Vėliau, jau 1974 metais, Gerard't Hooftas ir Aleksandras Poliakovas parodė, kad labiau pažengusiose Didžiosios asociacijos teorijose, kuriose skirtingos sąveikos yra aprašytos pagal vieną požiūrį,Taip pat turėtų egzistuoti magnetiniai monopoli, atsirandantys kaip topologiniai Higso srities defektai. Ir jie pradėjo aktyviai ieškoti.

Pagal paslaptį

Apie monopolius yra mažai žinoma. Tiksliau tariant, skirtingos teorijos daro labai skirtingas prognozes, ir netgi tuo pačiu požiūriu monopolių savybės gali labai skirtis. Didžiojo susivienijimo teorijose atsiranda labai didžiųjų vienuolynų – 1016 kartus daugiau masyvi nei protonas, ty su masė maždaug nuo amoeba. Tokių dalelių sukūrimas reikalauja milžiniškų energijos, ir jie gali pasirodyti tik pirmosiose mūsų Visatos gyvenimo akimirkos. Bet tada jie galėjo išgyventi iki šios dienos, ir mes galime tikėtis užsiregistruoti tokį svetimą iš kosmoso. Kiti modeliai numato, kad vienuolynai gali būti tik vieną šimtą kartų sunkesni nei protonai. Tada yra vilties juos gauti eksperimentuose dėl greitintuvų.

"Dirac" klasikinis monopolis neturi elektrinio krūvio (kaip, tarkim, elektronas neturi magnetinio). Tačiau kai kuriuose modeliuose monopoliai, be magnetinio, taip pat turi elektrinį krūvį. Tokios dalelės, dionai, pasirodė Amerikos teorijos fizikas Julianas Schwingeris. Tai egzotiška, bet jie taip pat ieško.O gal paprastosios dalelės turi magnetinį krūvį, bet labai mažai? Ši prielaida taip pat patikrino, ir, pavyzdžiui, elektronas atskleidė neturi magnetinio mokestį pėdsakų su 24 skaitmenų tikslumu po kablelio.

Elektromagnetinė indukcija ir monopoli

Šimtą metų anksčiau prognozės pagal Dirac monopolis Kitas mokslininkas Michael Faradėjaus atrado elektromagnetinės indukcijos reiškinį, besikeičianti magnetinis laukas sukuria elektros srovę grandinėje. Šis reiškinys yra įdomus būdas ieškoti monopolis pagrindas. Kai skrenda per superlaidžią žiedu Monopole vykdyti dirac magnetinio įkrovimo srovė žiede yra pakeistas taip, kad magnetinio srauto per žiedo pasikeitė tik dvi fotonų srauto (ši vertė yra Kvantas), ir nei greičio, nei dalelių svoris nėra svarbu. Tai buvo taip seniai tyrimų komandos ieško monopolis. Per pirmąjį šių eksperimentų, renkame duomenis penkis mėnesius, buvo energijos bangą, labai panašus į norimą span renginio monopolis per ritę. Šis renginys, žinomas kaip "Cabrera atveju" (iki eksperimento vardas nepastebėjo), ten buvo du popietę vasario 14, 1982. Jis niekada nebuvo paaiškintas.Vėliau ir daug labiau jautrūs eksperimentai nerado nieko panašaus, išskyrus dar vieną atvejį Londone 1985 metais. Eksperimentinėje fizikoje vienas stebėjimas nesuteikia teisės paskelbti atradimo. Tik pakartotinis efekto patvirtinimas, pageidautina skirtingose ​​laboratorijose, leistų mums kalbėti apie įrodymais pagrįstą norimos dalelės aptikimą. Dabar manoma, kad abu paslaptingus įvykius sukėlė kai kurie nekoncentruojami išoriniai detektoriaus įtaka.

GUT monopoli

GUT-monopolis yra reliktas, kurio korpusuose, kaip ir nuosėdų sluoksniuose, labai senovės Visatos formavimo etapai yra "išsaugoti".

Monopoliai, kuriuos numatė Didžiojo unifikacijos modeliai (vadinamieji GUT-monopoli, iš Didžiosios Susivienijimo teorijos), turi "svogūnų" struktūrą: vidinėse dalimis vieningoji sąveika, kuri valdoma lauke, mūsų žinomame pasaulyje, suskaidoma į elektromagnetinį, silpną ir stiprų sąveikos yra labai skirtingos. Kombinuotos sąveika yra įdomi savybė: ji neišsaugo nei bariojo, nei leptono skaičiaus atskirai – paprastai laikomi kiekiai, kurie yra atsakingi už protono ir elektrono stabilumą, taigi ir į visą aplinką turinčią medžiagą.Protonų skilimas niekada nebuvo pastebėtas eksperimentu, nepaisant intensyvių paieškų. Tačiau mažoji GUT monopolio branduolinė medžiaga yra mirtina protonams, nors ji pati yra kiek kartų mažesnė, nei protonas, taip pat, kaip protonas yra mažiau melionų, jis gali iš karto ištirpti į positroną ir pi-mezoną, o pats monopolis to nedaro. gali iškart įsitraukti į kitą "auką". Tai yra numatoma, tačiau, kaip ir pats GUT monopolis, niekas niekada nepastebėjo fenomeno, vadinamo Kallano-Rubakovo mechanizmu, arba protonų skilimo katalizę pagal analogiją su cheminiu katalizmu, kai katalizatoriaus medžiaga inicijuoja reakciją, bet pati nevartoja.

Protono skilimas

Protonas, kuriam nelaimingas likimas parengė susitikimą su GUT-monopole, aplinkoje palieka tokią pačią energiją kaip penkios branduolio dalijimosi uranu. Įsivaizduokite, kad GUT-monopolis patenka į astronominio objekto – neutroninės žvaigždės, rudojo nykštukų ir milžiniškos planetos gelmes – ir imamas sunaikinti, kaip šeškas chickenoje, protonus, kurie patenka į jo kelią (ir vienodai sėkmingai). Išleista energija apšildys aplink ją esančią medžiagą ir galų gale pasieks žvaigždės paviršių.Jei objekto viduje yra daugybė monopoliukų, gali būti pastebėtas papildomas šildymas, kuris neatitinka įprasto modelio. Atvirkščiai, tokio šildymo nebuvimas leidžia nustatyti tam tikrą viršutinę ribą suma gut-monopolis ir paprastai viduje visatoje objekto.

Vienas monopolis už šešis akr

Mūsų galaktikoje yra didelio masto magnetiniai laukai. Jie yra šimtai tūkstančių kartų silpnesni už žemės lauką, tačiau jų būdingi matmenys siekia tūkstančius šviesos metų. Magnetinis įkrovimas, įlipęs į tokią lauką, imsis energijos, greitėjantis prie didelio greičio. Į sunkiausios monopolis ir judėjimo atveju iš esmės lemia sunkumą ir jų greitis bus apie vieną-tūkstantoji šviesos greičiu (kaip saulės ir kitų sunkiųjų objektų laisvai judančių gravitacinis srityje galaktika), bet lengvesni dalelės magnetinis laukas yra pajėgi išsklaidyti beveik prie šviesos greičiu . Jei yra daug monopolių, jie tiesiog "išvalo" galaktikos magnetinį lauką. Be to, elektra dalelės (elektronai, protonai, jonų) į tarpžvaigždinės terpės gausa neleidžia atsirasti reikšmingų elektros srityje.

Tačiau iš tikrųjų matome, kad mūsų galaktikos magnetinis laukas nėra iš esmės sutrikdytas. Taigi, atnaujinant galaktikos lauką (apie 100 Ma), monopoliai neturi laiko iš jo daug sunaudoti. Galaktikos magnetinio lauko egzistavimas leidžia mums nustatyti viršutinę bendrą tokių dalelių skaičių; Šis apribojimas vadinamas Parkerio limitu. Tai maždaug atitinka tokį dalelių srautą: standartinėje priemiesčio zonoje, kurioje yra šeši šimtai kvadratinių metrų per metus, ne daugiau kaip vienas monopolis gali nukristi iš kosmoso. Panašūs skaičiavimai, kuriuose naudojami tarpgalaktinių laukų parametrai, yra žymiai silpnesni nei intragalactic, suteikia dar griežtesnių apribojimų. Tačiau jie yra mažiau tikslūs, nes šie laukai nėra gerai ištirti.

Erdvėje ir žemėje

Magnetinis krūvis (pvz., Elektrinis) turi būti išsaugotas. Tai reiškia, kad net jei sunkieji monopoliukai gali suskaidyti į lengvesnius, lengviausia yra tai, kad jie bus stabilios dalelės. Atitinkamai, kai sukūrę monopolijas, jų negalima visiškai sunaikinti ("šiaurės" monopolį galima sunaikinti tik "pietine" dalimi).Todėl, jei vieną kartą ir kažkur jie atsirado, jie yra beveik amžini ir kosmines erdves galima ieškoti. Sunkūs monopoliai, kuriuos numatė Didžiojo susivienijimo teorijos, galėjo būti gimę ankstyvojoje Visatoje. Išlikę iki mūsų dienų, jie turi naršyti erdvės erdvėse, įskaitant mūsų galaktiką.

Astronominiai stebėjimai padeda nustatyti monopolijų skaičiaus ribas visatoje. Pirma, galite naudoti kosmologinius duomenis apie tamsiosios medžiagos kiekį visatoje. Darant prielaidą, kad visos tamsiosios materijos yra monopolijos (nors jie toli gražu nėra geriausias kandidatas į šį vaidmenį hipotetinių dalelių "zoologijos sode"), galima gauti viršutinę šių dalelių kiekio ribą. Bet net toks paprastas įvertinimas jau yra naudingas.

Monopoli taip pat gali sudaryti dalį kosminių spindulių. Jei jie yra, jūs galite ieškoti jų, tyrinėdami Mėnulio dirvožemį laboratorijoje arba meteoritų medžiagos pavyzdžius, kuriuos milijardus metų bombardavo kosminiai spinduliai. Įdomus metodas, nors ir su tam tikrais apribojimais, buvo pagrįstas senovinių mineralų tyrimu, kuriame vienuolynai turėjo palikti savo pėdsakus per praeities geologines epochas.Kai kurie atominiai branduoliai turi magnetinį momentą, ty jie yra miniatiūrinis magnetinis dipolis. Tarp jų aliuminio-27 branduoliai plačiai paplitę žemės plutoje. Laisvas magnetinis dipolis visuomet traukiamas į stipresnį magnetinį lauką, todėl monopolis, praeinantis savo reikaluose, gali įsigyti palydovą. Aliuminio šerdis, nukreiptas monopolyje per mineralinės kristalinės grotelės, palieka sunkios žalos taką, kurią galima aptikti tinkamai apdorojus kristalą.

Monopolijų srautas yra labai mažas, tačiau šis srautas, kuris tęsiasi šimtus milijonų metų ir kurį gali pasigirti kai kurie mikroscenelės, turėtų duoti kelią beveik kiekviename kubiniame milimetre esančio kristalo. Apribojimas, gautas naudojant šį metodą, yra šimtas kartų griežtesnis nei Parkerio riba, tačiau tam reikia papildomų prielaidų.

Po žeme, po vandeniu, po ledu

Judantis magnetinis uždegimas sukelia apvalų elektros lauką aplink save, sąveikaujantį su aplinkiniais elektros krūviais. Visų pirma, jis gali išsilaisvinti elektronus iš savo orbitų atomų.Tai reiškia aptikti monopolis gali naudoti visą juostos jonizacijos metodus sukurtas aptikti elektra dalelės – dujos, scintiliacijos, puslaidininkių, kibirkštis, takelis ėsdinimo techniką. Dirac monopolis turi didelį krūvį, todėl sukelia labai didelį jonizacijos materijoje, kuri, skirtingai nuo elektros dalelės, jonizacijos agentas monopolis beveik nepriklauso nuo greičio plačiame energijos diapazone. Taip pat jonizacijos pagal elektrinio lauko, magnetinis monopolis atomai gali indukuoti konkretų magnetinė jonizacijos poveikį (drell poveikį) nėra stebimas su elektros dalelės.

Vienas iš jautriausių eksperimentų, kurio tikslas buvo ieškoti sunkiųjų magnetinių monopolių kosminiuose spinduliuose, vienu metu panaudojo keletą aptikimo metodų, kurie leido sumažinti foną nuo parazitinių įvykių. MAKRO eksperimentas (Monopole Ir kosminės spinduliuotės observatorija) dirbo keletą metų požeminėje laboratorijoje Gran Sasso Italijoje, apsaugotas nuo kosminių spindulių yra roko storio sluoksniu 1400 m ieškoti retų dalelių ir įvykiai reikia milžiniškų medžiagų -. Detektoriaus dydis buvo 77 × 12 x 9 m.

Jonizuojančiosios dalelės, sklindančios per detektorių, sukuria skystųjų scintilatorių, medžiagų, galinčių konvertuoti jonizacijos signalą į šviesą, sluoksnius, kurie surenkami ir analizuojami atitinkama elektronika. Be to, tarp sluoksnių yra dujų srauto detektoriai, kurie leidžia atskirti greitesnes daleles (daugiausia likusius kosminius miuonus, kurie sugebėjo peržengti kalnu) iš lėto (pageidaujamo monopolio). Galiausiai eksperimente buvo naudojami branduolinių bėgių kelio detektoriai – specialaus plastiko sluoksniai, kurie keičia jų chemines savybes, kai per jį išleidžiama labai jonizuojanti dalelė. Vėlesnis plastiko traukimas su besivystančiu tirpalu sunaikina jį toje srityje, kurioje išsiskiria energija, ir mato dalelę – per plastiką.

Skirtingų monopolių ir įprastinių dalelių jonizacinių savybių skirtumas leidžia stipriai slopinti foną, atsisakyti nenumatytų įvykių. Visas kelių metų eksperimentas neatskleidė jokio įvykio, kuriuo būtų galima įtarti perėjimą monopolio įrengimo metu. Tačiau tokių įvykių nebuvimas leido mums nustatyti eksperimentinę viršutinę kosminių monopolijų srauto ribą Galaxy.

Didžiulis monopolų uždegimas leidžia ieškoti Čerenkovo ​​spinduliuotės – šviesos, kurią skleidžia dalelė skaidraus terpėje (vandenyje, ledo ir tt), kai dalelių greitis yra didesnis nei šviesos sparta šioje terpėje. Релятивистский monopolis skleidžia beveik 7000 kartų daugiau Cherenkovo ​​šviesos, nei įprasta elektra užpildyta dalelė, judanti tuo pačiu greičiu. Tokie įvykiai buvo ieškoti naudojant NT200 neutrininio teleskopo (susidedančio iš fotomultipliuentų, panardintų po Baikalo ledu) ir AMANDA eksperimentu, kuris dirbo Antarkties ledynu Pietų ašigalyje. Rezultatas yra lygus nuliui.

Infliacija ir monopolijos

Vienas svarbiausių šiuolaikinių kosmologinių scenarijų komponentų yra vadinamasis infliacijos modelis. Jos pagrindinė idėja yra tai, kad ankstyviausiose mūsų visatoje patyrė greitą infliaciją (infliaciją). Viena iš šio scenarijaus sukūrimo priežasčių buvo monopolijų problema.

Faktas yra tas, kad ankstyva Visata buvo tokia karšta, kad joje gali lengvai susidurti labai didelės dalelės, įskaitant monopoles. Jei mes nepriimame papildomų prielaidų, daugelis jų bus aplink mus, ne mažiau kaip aukso atomai.Tačiau 1980-ųjų pradžioje iš eksperimentų jau buvo aišku, kad vienuoliai yra labai retai, ir turi būti išrastas tam tikras mechanizmas, leidžiantis beveik visiškai išnykti tokias relikvines daleles. Idėja yra labai paprasta. Norint, kad dalelių tankis būtų mažas, būtina išlaikyti dalelių kiekį, kad smarkiai padidėtų jų užimamas tūris. Infliacija tai puikiai tinka! Tik liko pasirinkti parametrus, kad vienuoliai gimė iki visatos išsiplėtimo pabaigos. Taigi monopolijų slėpinys, atrodo, yra susijęs su "Didžiojo sprogimo" teorija.

Laboratorijoje

Dirac monopolio masė negali būti mažesnė nei 60 GeV. Tokios energijos yra pasiekiamos šiuolaikiniuose koladiniuose. Taigi, juose gali gimti monopoliai su tokiomis masėmis, o tada įstrigti metalinių akceleratorių ar tikslinių dalių dalyje. Todėl galite tiesiog nupjauti tas dalis, kurios nėra patys magnetinės, ir vilkite juos per žiedo detektorių. Jei monopole įstrigo gabalas, žiedas reaguos į jį. E882 eksperimente jie ieškojo monopolijų Fermilab ir HERA projekte. ATLAS eksperimento metu ieškojome monopoles ir BAC.

Bet jūs galite padaryti dar įdomesnį – galingą magnetą, kuris išsklaidytų įstrigusias monopolijas. Ištraukdami iš metalo gabalėlio, jie skubės į vietą, kur jie buvo nukreipti magnetiniu lauku. Eksperimentuotojai turi tik registruoti šias daleles. Metodas yra gražus, tačiau iki šiol rezultatas yra lygus nuliui.


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: