Нижегородские ученые предложили новый способ обнаружения магнитных монополей в космосе

Радиофизики Нижегородского государственного университета (ННГУ) им. Н. И. Лобачевского предложили новый способ обнаружения частиц с магнитным зарядом в космосе. Исследование велось в рамках программы «Приоритет 2030» — государственной программы поддержки университетов, действующей в рамках национального проекта «Наука и университеты».

«Около ста лет ученые по всему миру безуспешно пытаются обнаружить источники магнитного поля — монополи. Эти гипотетические магнитные заряды приводят к симметрии уравнение Максвелла и предсказываются целым рядом физических теорий»,— пояснили в вузе.

Радиофизики ННГУ предположили, что монополи могут рождаться в исключительно сильных магнитных полях. Искать неуловимые частицы ученые предложили в космосе, исследуя самые мощные магниты во Вселенной — особый тип нейтронных звезд, магнитары.

По версии ученых, покидая магнитар, монополи забирают часть энергии магнитного поля. Вращение нейтронной звезды при этом замедляется, и возникают изменения вращения — шум. Чем легче монополи, тем большее их количество должно рождаться и тем легче зафиксировать этот шум современной технике.

Исследование выполнено в лаборатории перспективных квантовых стандартов частоты и систем точного времени, созданной на базе кафедры теории колебаний и автоматического регулирования радиофизического факультета в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030». Результаты опубликованы в ведущем журнале по астрофизике Physical Review D.

Алексей Клюев, заведующий лабораторией перспективных квантовых стандартов частоты и систем точного времени, профессор кафедры радиотехники радиофизического факультета, доктор физико-математических наук, ответил на вопросы «Ъ-Науки»:

— Что такое магнитный монополь? Почему его называют гипотетической элементарной частицей?

— Магнитный монополь — гипотетическая элементарная частица, обладающая ненулевым магнитным зарядом, которая до сих пор не была обнаружена.

Другими словами, магнитный монополь — точечный источник радиального магнитного поля. Магнитный заряд является источником статического магнитного поля совершенно так же, как электрический заряд является источником статического электрического поля.

Магнитный монополь можно представлять как отдельно взятый полюс длинного и тонкого постоянного магнита. Однако у всех известных магнитов всегда два полюса, то есть он является диполем. Если разрезать магнит на две части, то у каждой его части по-прежнему будет два полюса. Все известные элементарные частицы, обладающие электромагнитным полем, являются магнитными диполями.

В отличие от них, магнитный монополь представляет собой новую элементарную частицу, представляющую собой изолированный магнит только с одним магнитным полюсом (северный полюс без южного или наоборот).

Существование магнитного монополя не только возможно, но и обязательно в теориях определенного класса. Так, теория суперструн и теории Великого объединения (ТВО) предсказывают существование магнитных монополей. Теории Великого объединения (англ. Grand Unified Theory, GUT) — в физике элементарных частиц группа теоретических моделей, описывающих единым образом сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия, из которых следует, что в очень ранней Вселенной была великая объединительная эпоха, в которой эти три фундаментальных взаимодействия еще не были разделены друг от друга.

Однако несмотря на предсказание многих теорий и гипотез, неоднократные попытки экспериментального обнаружения магнитного монополя не увенчались успехом. Особенно интенсивно поиски магнитного монополя космического происхождения проводились с начала 1980-х годов. Детектор Большого адронного коллайдера MoEDAL произвел поиск магнитных монополей, однако никаких следов магнитных монополей с массой и магнитным зарядом, которых позволяет достичь коллайдер, обнаружено не было. Вопрос существования магнитных монополей остается открытым.

Таким образом, многие теории и гипотезы нуждаются в существовании магнитного монополя, но экспериментально его обнаружить не удается, поэтому магнитный монополь имеет статус гипотетической элементарной частицы.

— Зачем искать магнитный монополь, чем он так важен?

— Во-первых, сформулированные Максвеллом уравнения классической электродинамики связывают электрическое и магнитное поля с движением заряженных частиц. Уравнения Максвелла используются практически во всех областях знания, в которых мы имеем дело с электричеством и магнетизмом, будь то связь, электроэнергия, свет в наших жилищах, микроволновая печь и много всего другого. Эти уравнения почти симметричны относительно электричества и магнетизма, однако для полной симметрии не хватает магнитного заряда. Уравнения Максвелла могут быть сделаны полностью симметричными, если в дополнение к электрическому заряду и току ввести магнитный заряд (магнитный монополь) и магнитный ток (ток магнитных монополей).

Во-вторых, если мы обратимся к фундаментальной физике, то в ней установлено, что заряды всех обнаруженных частиц имеют не произвольные значения, а всегда равны целому кратному определенного количества электричества — элементарному электрическому заряду. Объяснение, почему заряд всегда кратен элементарному заряду, до сих пор не найдено! Существование в природе хотя бы одного магнитного монополя с определенным зарядом объяснило бы наблюдаемую на опыте кратность электрических зарядов частиц величине элементарного электрического заряда; магнитный заряд при этом тоже с необходимостью квантовался бы.

В-третьих, магнитный монополь смог бы пролить свет на устройство Вселенной! В 1974 году Александр Поляков и Герард Хофт независимо обнаружили, что существование магнитного монополя не только возможно, но и обязательно в полевых теориях определенного класса, в так называемых теориях Великого объединения.

Напомним, теории Великого объединения — в физике элементарных частиц группа теоретических моделей, описывающих единым образом сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия, из которых следует, что в очень ранней Вселенной была великая объединительная эпоха, в которой эти три фундаментальных взаимодействия еще не были разделены друг от друга.

В настоящее время эксперименты подтвердили, что при высокой энергии электромагнитное взаимодействие и слабое взаимодействие объединяются в единое электрослабое взаимодействие. За вклад в объединение слабого и электромагнитного взаимодействий элементарных частиц Шелдону Глэшоу, Стивену Вайнбергу и Абдусу Саламу была присуждена Нобелевская премия по физике за 1979 год.

Если бы удалось найти магнитный монополь, это помогло бы объединить электрослабое взаимодействие с сильным взаимодействием и подтвердить теории Великого объединения!

Ну и, наконец, монополи из теорий Великого объединения могут являться гигантскими хранилищами энергии, которая в миллиарды раз больше выделяемой при расщеплении ядра урана в ядерном реакторе. Для того чтобы высвободить внутреннюю энергию, необходимо, чтобы произошла аннигиляция монополя и антимонополя, то есть северного и южного полюсов. Таким образом, обнаружение магнитных монополей может позволить человечеству получить практически неограниченный источник энергии!

— Почему так сложно его найти?

— В настоящее время отсутствует единое мнение по оценке массы и магнитного заряда монополя, поэтому до сих пор нет четкого представления о том, в каком диапазоне энергий и зарядов его искать!

По теоретическим оценкам, плотность монополей настолько мала, что через один детектор пролетает один монополь в год. Несмотря на то что были зафиксированы обнадеживающие события, в частности событие, носящее имя исследователя Бласа Кабреры (Blas Cabrera), в ночь на 14 февраля 1982 года (иногда в шутку называемый монополем Дня святого Валентина), эти эксперименты не удалось воспроизвести и существование монополей не было установлено.

Для поисков магнитного монополя необходимы громоздкие и дорогостоящие подземные детекторы, подобные сооруженным для изучения потоков космических нейтрино и поисков распада протона.

— За сто лет было предпринято много попыток найти магнитный монополь и выдвинуто много разных теорий о том, как это можно сделать. Почему радиофизики ННГУ уверены, что новый способ может сработать?

— За почти столетнюю историю попыток обнаружить магнитный монополь было выдвинуто много предположений о том, как это можно сделать, но все они не увенчались успехом. Однако не так давно произошло событие, которое дало новую надежду и новый импульс в поиске магнитных монополей.

Проведенные ранее исследования показали, что в некоторых классах перхлоратных окислов редкоземельных металлов, называемых спиновым льдом, возбужденные состояния могут проявлять все характеристики магнитных монополей. Это не настоящие магнитные монополи, а лишь имитирующие их поведение состояния в твердом теле. Эти возбужденные состояния стали называть квазимонополями. Однако обнаружить их проявление долгое время не удавалось.

В 2017 году сотрудники радиофизического факультета Национального исследовательского Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского Алексей Клюев и Аркадий Якимов совместно с сотрудником Института физики твердого тела Российской академии наук Михаилом Рыжкиным в статье, опубликованной в журнале Fluctuation and Noise Letters, предположили, что эти состояния могут генерировать так называемый магнитный шум.

Спустя два года международная группа ученых из Корнеллского, Оксфордского, Стэнфордского и ряда других ведущих университетов мира в статье в Nature со ссылками на статью российских ученых сообщила, что удалось обнаружить практически все предсказанные в статье Fluctuation and Noise Letters особенности магнитного шума, исходящего от состояний внутри кристаллов титаната диспрозия. Для обнаружения этого шума команда физиков создала спектрометр. Новый прибор обладает высокой чувствительностью и создан на основе сверхпроводящего квантового интерференционного устройства (SQUID). Так как шум магнитных монополей происходит в частотном диапазоне ниже 20 кГц, при усилении с помощью SQUID он фактически слышен людям. Новость об «акустическом дебюте» магнитных монополей сразу же облетела мировые средства массовой информации.

Дальнейшая логика научного поиска подсказывает, что если данный метод сработал для поиска квазимонополей, то его можно попробовать применить и для поиска настоящих магнитных монополей.

Остается только найти место во Вселенной, где существует экстремально сильное магнитное поле, которое теоретически может рождать магнитные монополи!

Такие условия могут возникать в очень плотных космических объектах с исключительно сильным магнитным полем, так называемых магнитарах.

На конечной стадии звездной эволюции в зависимости от массы звезда либо сбрасывает внешнюю оболочку, становясь белым карликом, либо превращается в сверхновую звезду. После взрыва сверхновой остается нейтронная звезда или черная дыра.

При этом при определенных условиях нейтронная звезда может стать магнитаром. Магнитары имеют диаметр около 20–30 км, однако массы большинства превышают массу Солнца. Магнитар настолько сжат, что горошина его материи весила бы более 100 млн тонн. Большинство из известных магнитаров вращаются очень быстро, несколько оборотов вокруг оси в секунду. Жизненный цикл магнитара достаточно короток. Их сильные магнитные поля исчезают по прошествии примерно 10 тыс. лет, после чего их активность и излучение рентгеновских лучей прекращается. Главная особенность магнитаров состоит в том, что они обладают исключительно сильным магнитным полем (до 1011 Тесла), превышающим так называемый предел Швингера.

Эффект Швингера можно рассматривать как распад вакуума в присутствии электрического поля или, другими словами, как рождение электрон-позитронных пар из вакуума под действием электрического поля большой напряженности.

Оригинальный эффект Швингера из квантовой электродинамики до сих пор не наблюдался из-за чрезвычайно высокой требуемой напряженности электрического поля.

Согласно электромагнитному дуализму, один и тот же механизм Швингера в магнитном поле должен создавать магнитные монополи, если они существуют.

Свежие данные, опубликованные в феврале этого года на сайте arxiv.org, свидетельствуют о том, что поиск, проведенный в рамках эксперимента MoEDAL с использованием Большого адронного коллайдера, не позволил обнаружить монополи и анализ показал нижнюю границу массы монополя, равную 80 ГэВ с доверительным уровнем 95%.

Однако, как показано в опубликованной автором исследования статье, в полях магнитаров могут рождаться магнитные монополи с массами, превышающими эту нижнюю границу.

При этом из-за удаленности магнитаров и относительно малого числа рождающихся монополей зарегистрировать их напрямую не представляется возможным.

В статье предложен косвенный метод регистрации гипотетических магнитных монополей и показано, что рождение пар магнитных монополей в магнитных полях магнитаров должно сопровождаться гипотетическим шумом магнитных монополей. Шум магнитных монополей приводит к флуктуациям магнитного поля, которые могут быть связаны с флуктуациями периода вращения магнитара. Оценки показывают, что такие флуктуации периода для достаточно легких магнитных монополей, если они рождаются в магнитном поле магнитаров, могут быть измерены экспериментально с помощью прецизионных приборов измерения частоты и времени.

Таким образом, в опубликованной статье обосновывается возможность рождения магнитных монополей в экстремально сильных магнитных полях компактных нейтронных звезд — магнитаров, что должно сопровождаться возникновением шума магнитных монополей, проявляющегося во флуктуациях периода вращения магнитаров.

Положительный опыт применения этого метода, приведший к обнаружению квазимонополей в спиновом льду, дает надежду если не на обнаружение, то хотя бы на уточнение нижних границ массы и заряда магнитных монополей.

— Какие из экспериментальных установок в обсерваториях могли бы зафиксировать отклонения во вращении магнитаров? Как работают эти установки?

— Дальнейшая экспериментальная проверка предсказанного шума магнитных монополей, точнее, его проявления во флуктуациях периода вращения магнитаров возможны с использованием так называемых квантовых стандартов частоты и времени.

Вообще говоря, современные области применения квантовых стандартов частоты достаточно разнообразны, в том числе научные исследования, такие фундаментальные, как уточнение физических постоянных, проверка теории относительности, астрофизические исследования, основанные на радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой, и тому подобные.

Квантовые стандарты частоты — устройства, в которых для точного измерения частоты колебаний или для генерирования колебаний с весьма стабильной частотой используются квантовые переходы частиц (атомов, молекул, ионов) из одного энергетического состояния в другое.

В России разработкой квантовых стандартов частоты и времени занимается АО «Время-Ч».

Исследование квантовых стандартов частоты и времени ведется в лаборатории перспективных квантовых стандартов частоты и систем точного времени, созданной при поддержке АО «Время-Ч» на базе кафедры теории колебаний и автоматического регулирования радиофизического факультета ННГУ имени Лобачевского в рамках «Проекта 2030».

— Что будет, когда ученые все же обнаружат магнитный монополь? Что это дает науке?

— Обнаружение магнитного монополя может иметь серьезные последствия для всей физики и человечества в целом. Это открытие могло бы стать величайшим прорывом в физике со времен открытия бозона Хиггса. Это событие предоставило бы доказательства для новых физических теорий, потенциально ведущих к лучшему пониманию фундаментальных сил Вселенной.

Открытие магнитного монополя сделало бы уравнения Максвелла симметричными относительно электричества и магнетизма. Также существование магнитного монополя объяснило бы квантование электрического заряда, то есть ответило бы на вопрос, почему электрический заряд не может быть меньше заряда электрона и всегда кратен заряду электрона.

В прикладном плане обнаружение магнитных монополей (если они существуют) может позволить человечеству получить практически неограниченный источник экологически чистой энергии. Теоретически аннигиляция северного и южного магнитных монополей способна дать в миллиарды раз больше энергии, чем распад такой же массы урана.

Подготовлено при поддержке национального проекта «Наука и университеты»