大型强子对撞机可能接近寻找磁单极子

如果确实如此，这将是一场持续了近两个世纪的争论的高潮。

大型强子对撞机的伟大任务之一是寻找磁单极子，一些研究人员认为他们已经很接近了。

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来自一个大型实验团队的两篇预印本论文报告称，他们未能在没有伙伴的情况下找到长期寻找的磁单极子（南北磁极），但他们也声称已经接近目标，缩小了可能发现它们的窗口。 

这些尚未通过同行评审的预印本甚至测试了我们几年前可能制造磁单极子的想法，但未能检查它们可能幸存下来的设备。

我们大多数人学到的第一堂物理学课之一是，磁铁总是有两个相反的磁极，我们称之为北极和南极。将条形磁铁切成两半，新的磁极将出现在断裂附近，以便每个较小的磁体继续拥有每个磁极。如果磁铁足够脆，您可以自己测试一下。当您这样做时，为什么不检查一下最近有关磁铁的说法并考虑来源的可信度。 

然而，自 19 世纪以来，科学家们一直想知道是否有一种方法可以使单个磁极（称为单极子）与对应的磁极分离地存在。毕竟，正电荷和负电荷不需要相反的电荷存在。 

磁理论的创始人之一詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 (James Clerk Maxwell) 认为他已经彻底消除了这个想法，但几十年后保罗·狄拉克 (Paul Dirac) 将其带了回来，证明磁单极子的存在可以解释为什么电荷会被量子化。 如果是这样，磁荷也应该被量子化，由 2πℏ/e 的构建块组成，称为狄拉克电荷，等于电子电荷的 68.5 倍。从那时起，理论学家对这个想法越来越有信心，但实验学家一直无法找到证据。

事实上，单极子理论已经如此发达，以至于物理学家现在绝大多数都同意它们可能存在。我们甚至在与欧洲核子研究中心所追求的情况非常不同的情况下看到了它们的迹象，但亚原子磁单极子的确认仍然难以捉摸。

大多数磁单极子理论要求它们不违反对称定律。因此，宇宙中不可能有多余的北极或南极——两者的数量必须相等，但与已知的磁极不同，它们不需要相连。

自 2012 年以来，单极子和奇异探测器 (MoEDAL) 合作一直在使用大型强子对撞机 (LHC) 粒子湮灭来寻找磁单极子。

人们认为可以通过多种途径来制造单极子。在最近的一项研究中，MoEDAL 科学家从虚拟光子中寻找单极子产生的迹象。另一个想法对于非科学家来说听起来像是幻想，但对我们的物理模型至关重要，虚拟光子在两个电荷载流子之间携带电磁力，但不作为自由粒子存在。

虚拟光子可以通过高速粉碎粒子等方法来产生。理论物理学家提出了两种产生磁单极子的方法。一种涉及两个虚拟光子的融合，另一种称为 Drell-Yan 过程，将设法从单个虚拟光子产生单极子。

尽管我们可能期望找到磁单极子的最佳方法是通过其磁场，但事实并非如此。理论磁单极子的基本特征之一是它们带有大量电荷。这种高电荷物体（HECO）的发现将表明标准模型之外的物理学的存在。更具体地说，这将是潜伏单极子的重要线索，尽管其他奇异物体（例如微观黑洞遗迹）也可能对此负责。

MoEDAL 发言人 James Pinfold 在一份声明中表示：“MoEDAL 对单极子和 HECO 的搜索范围使合作能够调查这些假设粒子的大片理论‘发现空间’。”

在第一份预印本中，MoEDAL 团队的成员对单极子可能具有的质量设定了较低的限制，他们写道，这是“迄今为止发布的最强的”。他们声称，通过这样做，他们已经超越了使用 LHC 实现相同目的的规模大得多的 ATLAS 实验。

第二份预印本描述了一种不同的单极子搜索，它寻找在大型强子对撞机第一次运行期间重元素离子被粉碎在一起时由理论施温格机制产生的单极子搜索。施温格机制提出，足够强的电场或磁场可以在真空中产生粒子。平福德说：“如果单极子是复合粒子，那么这次和我们之前的施温格单极子搜索可能是第一次观察它们的机会。”

这次搜索测试了这样一种想法，即单极子可能是在运行过程中产生的，并从那时起就被困在对撞机退役部分中并被忽视。没有找到任何物质，但在这个过程中，作者得出结论，制造磁单极子需要大量能量，并以 95% 的置信度表示，磁单极子的质量必须超过 800 亿电子伏特。

这不会令许多理论物理学家感到惊讶。磁单极子是大统一理论中许多尝试将量子力学与引力结合起来的关键。这些往往会预测非常大的质量，达到数万亿电子伏特的量级，并且需要的最小电荷是狄拉克电荷的两到三倍。

两种预印本均可在 arXiv.org 上获取，此处和此处。