Scientists Hunt for A Seeming Paradox: A Magnet With Only One Pole 科學家尋找一個看似悖論：只有一極的磁鐵
幾個世紀以來，物理學家一直在尋找磁性單極子，以幫助他們將所有事物的理論結合起來。
它們可能比以往更接近。 By Adam Hadhazy|Tuesday, November 13, 2018 http://discovermagazine.com/2018/dec/a-magnetic-quest 小時候，詹姆斯·平福德喜歡磁鐵。他回憶起對那些將金屬物體撞在一起或將它們分開的無形力量的驚嘆。出於好奇，他曾經把一塊磁棒拉成兩半，試圖分開它的北極和南極。像其他任何曾經嘗試過的人一樣，Pinfold最後只得到了一對較小的兩極磁鐵。
“我想，'這太棒了，'”現在是阿爾伯塔大學的物理學家Pinfold說。
“為什麼不能有單獨的桿子？”
這是一個他從未停止過的問題。 Pinfold現在是尋找具有單個磁荷的理論粒子的實驗的領導者 - 沒有南方的北方，反之亦然。被稱為磁單極子，在物理學家提出的統一自然的基本力量的眾多理論中，它們似乎是完全可能的，甚至是不可避免的。
然而，麻煩的粒子幾十年來一直沒有科學的把握。研究人員一直在尋找天空，海水和冰。他們從北極和南極採集了岩石樣本，在隕石和月球塵埃中搜尋，並在近十億年的礦石中尋找它們的痕跡。在科學史上，可以說，通過空間和時間，沒有比磁單極子更多的東西了。而且，沒有。
但物理學家並不打算放棄。 Pinfold在價值40億美元的大型強子對撞機（LHC）上進行的實驗正在通過亞原子彈片篩選出單極特徵，而科學家也正在為從宇宙中墜落的宇宙單極子留下眼睛。甚至有機會我們已經發現了糟糕的事情。 為什麼大驚小怪呢？磁單極子可能只是幫助打破粒子物理學中的當前僵局。一個被稱為標準模型的框架，建立在幾十年之後，描述了自然中四種基本力量中的三種，以及它們在量子力學的精確語言中伴隨的粒子。它是所有科學中最成功的理論之一，但仍然是絕對不完整的。例如，它無法適應重力。它也不能解釋暗物質的問題，暗物質是一種超過常規物質5到1的神秘物質。
磁單極子，一種全新的粒子，可以展示前進的方向。
“單極子將使我們遠遠超出現有的標準模型，”Pinfold說。單極子可以揭示如何將三種標準力量結合起來，使科學家能夠向所謂的一切理論邁進一步，將所有物理學放在一個屋簷下。人類最終可以理解整個宇宙的行為。
但首先：狩獵。
持續存在的問題
難以捉摸的磁單極子的窘境可以追溯到150多年前。在19世紀60年代，蘇格蘭數學物理學家詹姆斯·克拉克·馬克斯韋爾（James Clerk Maxwell）設計了方程式，將磁力和電力現象聯繫起來。它們都是相同基本力的表達，恰當地稱為電磁學。
在他的方程中，麥克斯韋包括已知的電力正負電荷。這些相反的電荷很容易分開：在你的頭髮上擦一個氣球，這樣就不會產生額外的靜電，而你已經完成了。但是因為磁力似乎總是表現為兩個 - 那些被稱為偶極子的北極和南極相連 - 他在理論中沒有包括單個磁荷。
麥克斯韋的範式在沒有磁力的情況下工作得很好;他的見解使大多數現代技術成為可能，從發電到無線通信再到計算機。
然而，20世紀的理論發展直接說明了單極人的情況。 1931年，英國理論物理學家保羅狄拉克表明，量子力學允許這樣一個粒子，到了20世紀70年代，單極子出現了大統一理論的結果。 這個框架將三種自然的基本力量 - 強者，弱者和電磁力 - 融合成一個整體。但是，這種統一隻有在宇宙誕生的大爆炸的強烈熱情，精力充沛的展開中才有可能實現。另外，弦理論提出力和粒子都是由細小的弦狀單元的振動產生的，這給單極子帶來了另一個大拇指。
加利福尼亞大學聖塔芭芭拉分校的約瑟夫·波爾金斯基在2002年評論說，他們的存在是“人們可以對物理學做出的最安全的賭注之一”，他提出了世界上最重要的弦理論家之一 - 單極子的所有間接理論證據。但是看到了。“十六年後，在他於2018年2月去世之前，他仍然堅持這一說法。
“每當你進入一個完全統一的物理理論時，”他說，“你總會發現磁單極子出現了。”
單極子的基本輪廓將它們描繪為攜帶磁荷的基本粒子。它們類似於攜帶電荷，電子和夸克的粒子，它們構成了我們周圍的物質。
單極人也會熟悉行事：相同的指控會相互排斥，而相反的指控會吸引。顆粒可能具有相當大的質量。科學家們相信他們會以可預測的 - 並且最終可檢測的 - 方式與日常事物相互作用。
“在一個非常基礎的層面上，這就是我們認為單極子值得尋找的原因，”理論物理學家Arttu Rajantie說。
“我們真的知道他們的行為會是什麼樣的。”
也許單極？ 雖然物理學家在努力尋找磁性單極子，但幾十年前的研究結果表明我們可能已經偶然發現它們。 1982年2月14日，斯坦福大學的研究人員在超導環路上發現了一種特徵電流，只能從磁單極子中發現。三年後，在倫敦帝國理工學院，又出現了另一個無法解釋的潮流，與理論預測完全吻合。由於沒有其他探測器報告此類事件，許多科學家將這些信號視為無法解釋的儀器誤差或背景噪聲。但如果情況確實如此，物理學家詹姆斯·平福德認為，多年來肯定會發生其他虛假的，可能是可解釋的檢測。
“確實很難有一個完全模仿單極子信號的問題，”他說。 更進一步，1973年，加州大學伯克利分校領導的團隊發射了一個裝有一堆探測器的氣球，包括像LHC的MoEDAL探測器一樣使用的塑料薄片。在愛荷華州的Sioux市附近，有一些沉重而誘人的單極風格拉鍊穿過空中探測器 - 儘管重型元素的核心很可能是從深空中作為宇宙射線尖叫而來的。再一次，缺乏再演一次讓科學家們感到沮喪，但很感興趣。 MoEDAL探測器 Rajantie的名字，Arttu，發音類似於星球大戰角色R2-D2;可愛的深蹲機器人的玩具坐在倫敦帝國理工學院的辦公室電腦上。從那裡開始，Rajantie偶爾會去瑞士日內瓦的LHC旅行，在那裡他是Pinfold項目的一部分，在磁性單極子的路上炙手可熱。這項合作被稱為MoEDAL（發音為“獎章”，用於LHC的Monopole和Exotics探測器），匯集了來自四大洲的約70人。 MoEDAL儀器於2015年開始收集數據，並將繼續通過LHC目前的運行，截至今年12月，可能在2020年至2022年之間。 大型強子對撞機的訪客可能不會在MoEDAL看兩次;它類似於一組銀色金屬儲物櫃。 MoEDAL與一個名為LHCb的大預算，房屋大小的實驗共享一個地下洞穴。這個項目探測出“美麗”夸克，這是一種短暫的粒子，它是在雙光束之間的正面碰撞中噴出的，這些質子在光速的光線內行進。光束穿過兩條管道，這條管道長約17英里長的環形大型強子對撞機，而質子煙火正好發生在MoEDAL的洞穴內。 MoEDAL的更衣櫃式探測器環繞著該碰撞點，等待任何可能留下磨損的磁單極子。顆粒會在MoEDAL的隔間中翻過薄薄的塑料片，留下永久的超薄破壞痕跡。
“MoEDAL就像一個巨大的相機，”s MoEDAL中的第二種類型的探測器，由鋁製成，通過實際捕獲叛逆粒子，可以在單極狩獵中做得更好。
“如果磁性單極子飛過鋁，它會減速並陷入困境，”Rajantie說。研究人員將通過鋁通過超導環路來了解它的存在 - 這是一種可以吸收弱磁場的裝置。普通的偶極磁鐵在迴路中產生兩個電流，有效地相互抵消;然而，單極點會觸發持續的電流。
“沒有辦法偽造被困單極子的信號，”Pinfold說。
他們的單極陷阱如此設定，現在所有研究人員要做的就是觀察和等待，手指交叉。
全天然的單極子
在世界的另一端，科學家正採取不同的方法。這些物理學家不是尋找人造粒子碰撞所造成的人造單極子，而是尋求自然的宇宙單極子，最初是在宇宙大爆炸的熔爐中鍛造而從太空墜落到地球上的。這些單極天線的尺寸範圍很廣，從過熱到較輕的品種，它們也以極其不同的速度移動，最快的磁場掀動以近乎光速的速度行進。
宇宙射線
宇宙射線
作為阿根廷皮埃爾奧格天文台的一部分，大約1,660個水箱點近1,200平方英里。坦克可以探測到單極子和宇宙射線產生的粒子陣雨。
皮埃爾奧格天文台
艦隊腳的單極天線是皮埃爾奧格天文台的目標。奧格在阿根廷西部安第斯山脈下面的一片平原上，主要發現宇宙射線，令人難以置信的精力充沛的粒子在宇宙中肆虐。進入我們的領空後，宇宙射線首先消滅了地球大氣層中的一些不幸分子。碰撞產生的碎片隨後引發數十億顆粒子的連鎖反應，稱為空氣淋浴，向地面開火併發出特有的紫外線。
運氣好的話，奧格的紫外線調諧望遠鏡也可以探測到一顆下降的宇宙單極子。差異很容易發現：宇宙射線在紫外線能量的早期達到峰值，然後隨著空氣淋浴消失而減弱。一個更強大的單極天線會在它下降時繼續發出能量。
“一切都是基於單極子與探測器中的物質相互作用這一事實，”芝加哥大學的天體物理學家，奧格的首席研究員Paolo Privitera說。在MoEDAL的案例中，探測器是塑料和鋁。
“在我們的案例中，”他說，“這是空氣，氣氛。”
到目前為止，在奧格的天空中沒有發現任何單極子。但是，通過使用天文台的主要宇宙射線探測器來捕捉它們的可能性應該大大增加：一群近1,700個充滿水的坦克 快速移動的單極子同樣可以消除這種光，相對較大的慢速單極子也是如此 - 但出於不同的原因。這些單極子，由大爆炸的早期大統一時代承載，當三個基本力量合為一體時，將擁有極端能量密度的痕跡，標準模型粒子和力量之間的差異消失。
“當統一力量相等時，大統一的單極子在它的微小心臟中包含了一點點，”Pinfold說。當冰中的質子暴露於單極子的核心時，基本粒子的差異消失，質子衰變，其成分夸克轉變為其他粒子類型，包括正電子，可以產生可探測的Cherenkov光。
截至2015年，當他們發布關於該主題的最新主要報告時，基於兩年的數據，研究人員沒有找到任何有關IceCube的單極子。但同樣，耐心等待還可以獲得回報。
磁性未來
如果磁性單極子確實出現在地球附近，或者是粒子碰撞的碎屑，我們就會知道它。如果有人在某個地方確實能夠毫不含糊地抓住其中一個小流氓，那麼真正的樂趣就會開始。通過應用常見的電磁場，可以很容易地將怪物彎曲到我們的意志。單極可能以磁性而非電流流動，為涉及“磁化”的“磁控”技術鋪平了道路，可能是在超緊湊的數據存儲或完全重新構想的計算機體系結構中。
至於科學實驗，使用新粒子最終可以實現那些大統一理論，甚至是所有事物的理論。進入物理學的新領域可能需要將單極人的頭部粉碎在一起的蠻橫刺激。
“如果我們能找到它們，”Rajantie說，“最終我們粒子物理學家想要做的就是有一個碰撞器，我們將單極子與其他東西碰撞，看看會發生什麼。”誰知道，也許LHC可能會讓位於LMC - 大型單極碰撞機。
最後，Pinfold和那些想知道為什麼磁鐵不能拼接成單獨的北極或南極的人會有答案。
“磁性單極子貫穿現代宇宙理論的發展，就像金線一樣，”Pinfold說。
“如果我們確實看到了什麼，那將是一件非常重要的事情。” | 
