Monopol magnetic

Monopol magnetic
Participă la interacțiuni Gravitațional [1] , electromagnetic
stare Ipotetic
Cine sau după ce poartă numele Sarcină magnetică diferită de zero  - o sursă punctuală a unui câmp magnetic radial
numere cuantice

Monopol magnetic  - o particulă elementară ipotetică cu o sarcină magnetică diferită de zero  - o sursă punctuală a unui câmp magnetic radial . O sarcină magnetică este o sursă a unui câmp magnetic static, exact în același mod în care o sarcină electrică este o sursă a unui câmp electric static .

Un monopol magnetic poate fi considerat ca un singur pol al unui magnet permanent lung și subțire . Cu toate acestea, toți magneții cunoscuți au întotdeauna doi poli, adică este un dipol . Dacă tăiați un magnet în două părți, fiecare parte va avea totuși doi poli. Toate particulele elementare cunoscute care au un câmp electromagnetic sunt dipoli magnetici.

Istorie

Odată cu crearea fizicii ca știință bazată pe experiență, s-a stabilit opinia că proprietățile electrice și magnetice ale corpurilor diferă semnificativ. Această opinie a fost exprimată clar de William Gilbert în 1600 . Identitatea legilor de atracție și respingere pentru sarcinile electrice și sarcinile magnetice, polii magneților, stabilite de Charles Coulomb , a ridicat din nou problema asemănării forțelor electrice și magnetice, dar până la sfârșitul secolului al XVIII-lea a fost găsită . că în condiții de laborator era imposibil să se creeze un corp cu o sarcină magnetică totală diferită de zero. Conceptul de „substanță încărcată magnetic” a fost alungat din fizică pentru o lungă perioadă de timp după lucrările lui Ampère din 1820 , în care s-a dovedit că un circuit cu un curent electric creează același câmp magnetic ca un dipol magnetic.

În 1894, Pierre Curie afirma într-o scurtă notă [2] că introducerea sarcinilor magnetice în ecuațiile lui Maxwell este naturală și doar le face mai simetrice.

Simetria ecuațiilor lui Maxwell

Ecuațiile electrodinamicii clasice formulate de Maxwell relaționează câmpurile electrice și magnetice cu mișcarea particulelor încărcate. Aceste ecuații sunt aproape simetrice în ceea ce privește electricitatea și magnetismul. Ele pot fi făcute complet simetrice dacă, pe lângă sarcina electrică și curent , se introduc o sarcină magnetică (densitatea sarcinii magnetice ) și curent magnetic (densitatea curentului magnetic ):

Ecuațiile lui Maxwell și forța Lorentz cu monopoluri magnetice: unități gaussiene
Nume Fără monopol magnetic Cu monopol magnetic
Teorema lui Gauss
Legea magnetică a lui Gauss
Legea inducției lui Faraday
Legea lui Ampère (cu curent de polarizare )
Forța Lorentz [3]
Ecuațiile lui Maxwell și forța Lorentz cu monopoli magnetici: unități SI
Nume Fără monopol magnetic Cu monopol magnetic (convenția Weber) Cu monopol magnetic (convenția ampermetrului)
Teorema lui Gauss :
Legea magnetică a lui Gauss
Legea inducției lui Faraday :
Legea lui Ampère (cu curent de polarizare ):
forța Lorentz

În acest caz, ecuațiile modificate cu monopoli magnetici se transformă în ecuații clasice atunci când și sunt substituite , adică dacă nu există sarcini magnetice în regiunea considerată a spațiului. Astfel, este posibil să se creeze un sistem de ecuații lui Maxwell, ținând cont de existența sarcinilor magnetice, în timp ce ecuațiile clasice reflectă pur și simplu faptul că de obicei nu se observă sarcini magnetice.

Dacă există sarcini magnetice, atunci existența curenților magnetici va duce la corecții semnificative ale ecuațiilor lui Maxwell , care pot fi observate la scară macroscopică.

În noua formă a ecuațiilor lui Maxwell, apar dificultăți în descrierea matematică folosind potențialul vectorial. În prezența atât a sarcinilor magnetice, cât și a celor electrice, câmpul electromagnetic nu poate fi descris folosind un potențial vectorial care este continuu în spațiu. Prin urmare, în prezența sarcinilor magnetice, ecuațiile de mișcare ale particulelor încărcate nu sunt derivate din principiul variațional al acțiunii minime . În electrodinamica clasică, acest lucru nu duce la dificultăți fundamentale (deși face teoria oarecum mai puțin frumoasă), dar dinamica cuantică nu poate fi formulată în afara cadrului formalismului hamiltonian sau lagrangian.

Dirac monopole

Paul Dirac a sugerat existența unei particule cu sarcină magnetică și a ajuns la concluzia non-trivială că sarcina magnetică a monopolului propus nu poate avea o valoare arbitrară, ci trebuie să fie egală cu un multiplu întreg al unei anumite cantități de magnetism. [patru]

Problema determinării potenţialului vectorial care dă câmpul magnetic este echivalentă matematic cu problema determinării sistemului de curenţi care creează câmpul magnetic . Dintr-un punct care emite un flux constant al unui câmp magnetic trebuie să circule un curent constant cu o densitate uniformă în toate direcțiile. Pentru a-l menține, este necesar să aduceți un curent printr-un fir conductor în acest punct, egal cu curentul care emană din acest punct în toate direcțiile, iar puterea acestui curent este egală cu sarcina magnetică . [5] Deoarece locația unui astfel de fir este complet arbitrară, diferența de potențiale vectoriale este egală cu câmpul magnetic creat de curentul care curge către punctul de-a lungul unui fir și care curge de-a lungul celuilalt fir. Un astfel de câmp magnetic poate fi reprezentat ca un potențial cu mai multe valori, a cărui valoare în fiecare punct din spațiu se modifică cu fiecare ocolire a circuitului asociat firului cu mărimea curentului înmulțită cu . Din mecanica cuantică se știe că funcția de undă care caracterizează o particulă cu sarcină atunci când se schimbă ca . La parcurgerea conturului . Dar când ocoliți conturul, funcția de undă nu ar trebui să se schimbe, prin urmare . Un număr complex este egal cu unu dacă este reprezentat ca , unde  este un număr întreg arbitrar. Prin urmare: , unde  este un număr întreg. Astfel, sarcina magnetică a particulei trebuie să fie un multiplu al sarcinii magnetice elementare , unde  este sarcina electrică elementară . [6]

Afirmația inversă este de remarcat: existența unei sarcini magnetice nu contrazice mecanica cuantică standard numai dacă sarcinile electrice ale tuturor particulelor sunt cuantificate. (Astfel, existența în natură a cel puțin unui monopol magnetic cu o anumită sarcină ar explica multiplicitatea sarcinilor electrice ale particulelor observată experimental prin valoarea ; sarcina magnetică ar fi, de asemenea, cuantificată în mod necesar.)

Condiția de cuantizare Dirac este generalizată la interacțiunea a două particule, fiecare având atât o sarcină electrică, cât și o sarcină magnetică (astfel de particule se numesc dioni ).

(În sistemul de unități utilizate și au aceeași dimensiune, iar taxa este fixată prin relația .)

În aproximarea non-relatistă, forța care acționează asupra dionului 1 cu coordonatele și viteza din dionul 2, fixată la origine, este egală cu

Rețineți că combinațiile de sarcini incluse în această formulă sunt invariante la transformarea duală .

Modelul Hooft-Polyakov

În 1974, Alexander Polyakov și Gerard Hoft au descoperit în mod independent [7] că existența unui monopol magnetic nu este doar posibilă, ci și obligatorie într-o anumită clasă de teorii de câmp. În modelele Grand Unified , care consideră simetria sub transformările de fază ale funcțiilor de undă ale particulelor încărcate ca parte integrantă a unei simetrii mai ample de gabarit non-Abelian, câmpul electromagnetic este asociat cu un multiplet de câmpuri gabarite încărcate cu mase mari (aceste mase). rezultă din ruperea spontană a simetriei ). Pentru unele grupuri de simetrie gauge, există configurații stabile de câmp care sunt localizate într-o regiune de dimensiune și creează un câmp magnetic simetric sferic în afara acestei regiuni. Existența unor astfel de configurații depinde de proprietățile topologice ale grupului gauge, mai precis, de modul în care subgrupul de simetrie păstrat după ruperea spontană este încorporat în acesta. Stabilitatea acestor monopoli magnetici este determinată de comportamentul deosebit al câmpurilor la distanțe mari de centru. Masa monopolului magnetic poate fi calculată, depinde de modelul de câmp specific, dar în orice caz trebuie să fie mare (conform estimărilor pentru o clasă largă de modele ). Acești monopoli magnetici s-ar putea naște în Universul fierbinte la scurt timp după Big Bang, în timpul unei tranziții de fază asociate cu ruperea spontană a simetriei și apariția câmpurilor scalare uniforme nenule în vid. Numărul monopolurilor magnetice generate este determinat de procesul de dezvoltare a Universului într-un stadiu incipient, prin urmare, prin absența lor în prezent, se poate judeca acest proces. Una dintre explicațiile pentru faptul că monopolurile magnetice relicve nu au fost descoperite este dată de teoria Universului în expansiune (inflația). Monopolurile magnetice Hooft-Polyakov au unele proprietăți neobișnuite care le-ar face ușor de detectat. În special, interacțiunea cu un monopol magnetic poate stimula dezintegrarea nucleonului prezisă de unele modele de mare unificare [8] , adică, acționează ca un catalizator pentru o astfel de dezintegrare.

Proprietăți fizice de bază

Sarcina unui monopol magnetic

Dimensiunea sarcinii monopolului magnetic coincide cu dimensiunea sarcinii electrice din sistemul CGS :

unde  este viteza luminii în vid,  este constanta Dirac și  este sarcina elementară .

În sistemul SI , dimensiunile sarcinilor magnetice și electrice sunt diferite ( convenția lui Weber[ clar ] ):

unde  este constanta lui Planck .

Convenția ampermetrului[ clarifica ] ( SI ):

Constanta de cuplare a monopolului

Se știe că sarcinile electrice au o constantă de cuplare destul de mică (așa-numita constantă de structură fină ). În sistemul GHS, are următoarea semnificație:

În SI, avem o expresie mai greoaie:

unde  este constanta electrică .

În mod similar, se poate introduce constanta de cuplare magnetică pentru sistemul CGS:

Pentru SI are loc expresia:

 - convenția weber:  - convenția ampermetrului:

unde  este constanta magnetică a vidului . Trebuie remarcat aici că constanta magnetică este mult mai mare decât unitatea și, prin urmare, utilizarea metodelor perturbative în electrodinamica cuantică pentru sarcini magnetice nu este posibilă.

Masa monopolului

Teoria lui Dirac nu prezice „masa monopolului magnetic”. Prin urmare, în prezent, nu există un consens cu privire la estimarea masei monopolului (experimentul indică doar limita inferioară). De asemenea, se poate observa aici că valoarea masei electronilor este un fapt pur experimental și nu este prezisă de Modelul Standard .

Limita inferioară pentru masa unui monopol

Estimarea inferioară a masei monopolului poate fi estimată pe baza razei electronilor clasice (sistemul SI):

unde  este lungimea de undă Compton a electronului,  este masa electronului.

În mod similar, puteți introduce o valoare pentru raza clasică a monopolului magnetic (sistemul SI (convenția Weber)):

unde  este masa monopolului. Astfel, prin echivalarea razelor clasice, se poate obține o limită inferioară pentru masa monopolului:


Încercările de a găsi un monopol

Încercările repetate de a detecta experimental monopolul magnetic nu au avut succes. Căutări deosebit de intense pentru un monopol magnetic de origine cosmică au fost efectuate încă de la începutul anilor 1980. Experimentele pot fi împărțite în mai multe grupuri.

  1. Un monopol magnetic poate fi detectat direct din fluxul magnetic asociat . Trecerea unei sarcini magnetice printr-un circuit supraconductor va schimba fluxul în , unde  este un cuantum de flux magnetic , iar fenomenul de inducție electromagnetică va duce la un salt de curent în circuit, care poate fi măsurat folosind un interferometru cuantic supraconductor ( așa-numitul " SQUID " - SQUID , detector de interferență cuantică supraconductor în engleză ). Conform estimărilor teoretice, densitatea monopolurilor este atât de scăzută încât un monopol pe an zboară printr-un dispozitiv: în medie, un monopol cade pe 1029 nucleoni . Deși au fost înregistrate evenimente încurajatoare, în special evenimentul Blas Cabrera din noaptea de 14 februarie 1982 [9] (uneori denumit în glumă „ monopolul de Ziua Îndrăgostiților ”), aceste experimente nu au fost replicate, iar monopolurile de existență au fost nu este stabilită. 
  2. Un monopol magnetic greu trebuie să aibă o putere mare de penetrare și să creeze ionizare puternică pe drum . Prin urmare, pentru a căuta un monopol magnetic, s-au folosit detectoare subterane, construite pentru a studia fluxurile cosmice de neutrini și pentru a căuta dezintegrarea protonilor . Probabilitatea ca un monopol care trece să producă un foton în detector este o funcție descrescătoare a masei sale. Experimente recente la Tevatron [10] au arătat că monopoluri dependente de spin cu mase mai mici de 600 și 900 GeV nu există, în timp ce limita superioară a masei lor este de 10 17 GeV.
  3. De asemenea, s-au efectuat căutări pentru monopoluri magnetice capturate în minereuri magnetice de origine terestră și extraterestră ( meteoriți , Luna ) [11] , precum și urme lăsate de aceștia în mica conținută în vechile roci terestre. Experimentele au fost, de asemenea, înființate pentru a detecta procesele de creare a monopolurilor magnetice în timpul ciocnirilor de particule de mare energie la acceleratoare, cu toate acestea, masele unor astfel de monopoli magnetici sunt limitate în mod natural de energia disponibilă la acceleratoarele moderne. Cea mai puternică limitare a numărului posibil de monopoli magnetici din spațiul cosmic este dată de considerente legate de prezența câmpurilor magnetice galactice, deoarece monopolurile ar accelera în aceste câmpuri, luând astfel energie din sursele lor, ceea ce ar duce la o slăbire a câmpurilor magnetice galactice. câmpurile cu timpul. Estimarea numerică a acestei limitări depinde de un număr de ipoteze, dar fluxul de monopoluri magnetice cosmice într-un unghi solid unitar cu greu poate depăși 10 −12 m −2 sr −1 .

Din septembrie până în decembrie 2012, prima funcționare la scară maximă a detectorului Large Hadron Collider MoEDAL a avut loc la o energie de coliziune de 8 TeV și o luminozitate de 0,75 miliarde -1 . Rezultatul căutării monopolurilor magnetice este negativ, dar în funcție de mărimea sarcinii (magnetice) și a masei (și a fost scanat în regiunea de la 100 GeV la 3,5 TeV), secțiunea transversală a fost limitată de la zeci de femtobarns la zeci de picobarns [12] .

În 2015, detectorul de la Large Hadron Collider MoEDAL a căutat monopoli magnetici la o energie de coliziune de 13 TeV. Nu au fost găsite urme de monopoli magnetici cu o masă de până la 6 TeV și o sarcină magnetică de până la 5 unități Dirac, problema existenței lor a rămas deschisă [13] .

„Quasimonopoli” magnetici

În unele sisteme din fizica materiei condensate, pot exista structuri asemănătoare unui monopol magnetic - tuburi de flux magnetic ( în engleză  tuburi de flux ). Capetele tubului magnetic formează un dipol magnetic, dar deoarece mișcarea lor este independentă, în multe cazuri pot fi considerate aproximativ ca cvasiparticule monopol independente.

În septembrie 2009, mai multe grupuri de cercetare independente au anunțat deodată descoperirea într-un corp solid ( gheață de spin din titanat de disproziu Dy 2 Ti 2 O 7 ) a cvasiparticulelor care imită monopoli magnetici (adică arată ca monopoli la distanțe care depășesc semnificativ cristalul). constantă de rețea) [14 ] . În unele publicații media și populare, această observație a fost prezentată ca descoperirea monopolurilor magnetice [15] [16] .

Cu toate acestea, aceste fenomene nu sunt legate [17] și, conform unui raport din Physics World [18] , monopolurile magnetice găsite în „gheața de rotație” diferă ca origine de monopolurile fundamentale prezise de teoria lui Dirac.

„Monopolurile” descoperite sunt cvasiparticule (liniile magnetice de forță care intră într-una dintre astfel de cvasiparticule rămân închise, trecând printr-un „cord” subțire care leagă două astfel de cvasiparticule, fiecare dintre ele în acest sens nu reprezintă o sarcină magnetică izolată), și nu particule elementare , deci această descoperire nu a revoluționat fizica particulelor elementare . Cu toate acestea, „cvasi-monopolurile” sunt interesante în sine și fac obiectul unor cercetări intense. Teoretic, astfel de formațiuni pot exista nu numai în gheața spin, ci și într -un condensat Bose-Einstein . Au fost descoperite de un grup de oameni de știință din Boston. Au simulat pe un computer un nor foarte rece de atomi de gaz Bose. Au creat un vârtej din el și au obținut ceea ce seamănă foarte mult cu monopolul lui Dirac, dar nu este. Apoi au reușit să creeze un astfel de vârtej într-un experiment [19] . În ianuarie 2014, oameni de știință din SUA și Finlanda au reușit să creeze și să fotografieze un „monopol magnetic” de același tip [20] .

Vezi și

Note

  1. Uimitoarea lume din interiorul nucleului atomic. Întrebări după prelegere Arhivată 15 iulie 2015 la Wayback Machine , FIAN, 11 septembrie 2007
  2. Pierre Curie. Sur la possibilité d'existence de la conductibilité magnétique et du magnétisme libre  (franceză)  // Séances de la Société Française de Physique. - Paris, 1894. - P. 76-77 .
  3. Rindler, Wolfgang (noiembrie 1989). „Relativitatea și electromagnetismul: forța asupra unui monopol magnetic”. Jurnalul American de Fizică . 57 (11): 993-994. Cod biblic : 1989AmJPh..57..993R . DOI : 10.1119/1.15782 .
  4. Fermi, 1952 , p. 115.
  5. Fermi, 1952 , p. 117.
  6. Fermi, 1952 , p. 118.
  7. Polyakov A. M. Spectrul de particule în teoria câmpului cuantic . - M., Scrisori către ZhETF, 1974, v. 20, c. 6, p. 430-433.
  8. Curtis G. Callan, Jr. Dinamica Dyon-fermion  (engleză)  // Fiz. Rev. D  : jurnal. - 1982. - Vol. 26 , nr. 8 . - P. 2058-2068 . - doi : 10.1103/PhysRevD.26.2058 .
  9. Blas Cabrera. Primele rezultate de la un detector supraconductiv pentru mutarea monopolurilor magnetice   // Phys . Rev. Lett.  : jurnal. - 1982. - Vol. 48 , nr. 20 . - P. 1378-1381 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.48.1378 .
  10. XVI Meeting on Charged Particle Accelerators Arhivat 13 septembrie 2009 la Wayback Machine Institute for High Energy Physics.
  11. Strazhev, Tomilcik.
  12. Sunt publicate primele rezultate ale experimentului MoEDAL . Consultat la 19 februarie 2017. Arhivat din original pe 20 februarie 2017.
  13. Monopolii magnetici nu sunt vizibili nici măcar la 13 TeV Arhivat 19 februarie 2017 la Wayback Machine .
  14. Magnetic Monopole Takes First Steps Arhivat 20 mai 2017 la Wayback Machine .
  15. Existența monopolurilor magnetice a fost confirmată experimental . Arhivat pe 19 februarie 2011 la Wayback Machine . Compulent.
  16. Monopolul magnetic le-a apărut oamenilor de știință în spin ice Arhivat 4 ianuarie 2017 la Wayback Machine . Membrana.ru.
  17. Magnetic monopoles spotted in spin ices Arhivat 19 iulie 2019 la Wayback Machine , 3 septembrie 2009. „Oleg Chernyshev, cercetător la Universitatea Johns Hopkins, subliniază că această teorie și experimente sunt specifice gheții de spin și este puțin probabil să facă lumină asupra monopoluri magnetice prezise de Dirac.
  18. Magnetic monopoles spotted in spin ices Arhivat 19 iulie 2019 la Wayback Machine  . physicsworld.com.
  19. Norul cuantic simulează monopolul magnetic Arhivat la 31 ianuarie 2014 la Wayback Machine . știri despre natură.
  20. Oamenii de știință creează un magnet cu un singur pol Arhivat la 1 februarie 2014 la Wayback Machine .

Literatură

Link -uri