磁單極子的概念幾十年來一直吸引著科學(xué)家們的興趣，這是一種假想的粒子，它只具有一個磁極，要么是北極要么是南極。這與我們常見的磁體不同，后者總是有兩個磁極（一個北極和一個南極）。磁單極子如果存在，將會是一個重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，因為它將改變我們對電磁力和粒子物理學(xué)的基本理解。

歐洲核子研究中心大型強子對撞機(LHC)上的MoEDAL實驗處于這項工作的最前沿。利用LHC可達到的巨大能量，MoEDAL進行了一項獨特的任務(wù)，以搜索通過施溫格效應(yīng)產(chǎn)生的磁單極子。

磁單極的魅力

1931年，傳奇物理學(xué)家保羅·狄拉克首次提出了磁單極子的存在。他的優(yōu)雅理論證明了電和磁之間美麗的對稱性，表明對于每個電荷，都應(yīng)該存在一個磁對偶。然而，與實驗中觀察到的各種正負電荷不同，磁單極一直頑固地躲避著實驗的捕捉。

以朱利安·施溫格命名的施溫格效應(yīng)為單極子的產(chǎn)生提供了一條潛在的途徑。在一個非常強的電場存在的情況下，施溫格的理論預(yù)測了自發(fā)對產(chǎn)生的可能性——一個粒子和它的反粒子從真空中突然出現(xiàn)。在磁單極子的情況下，足夠強的電場可以觸發(fā)單極子-反單極子對的產(chǎn)生。

MoEDAL 的戰(zhàn)略優(yōu)勢

MoEDAL實驗采用了一種獨特的方法來尋找單極子。與大多數(shù)為高能粒子碰撞而設(shè)計的 LHC 探測器不同，MoEDAL 專注于捕獲逃離主探測器的長壽命大質(zhì)量粒子。它在CMS 實驗周圍的戰(zhàn)略性放置使其能夠利用CMS 磁鐵產(chǎn)生的強大磁場，該磁場可以捕獲附近產(chǎn)生的磁單極。

至關(guān)重要的是，MoEDAL 將關(guān)鍵組件——束流管——放置在非常靠近CMS 相互作用點的位置。這種接近極大地增加了在施溫格產(chǎn)生的單極子偏離之前捕獲它們的機會。束流管本身由非磁性材料(鈹)制成，以盡量減少對捕獲單極子的干擾。

搜索及其結(jié)果

MoEDAL 利用來自 LHC 的鉛鉛（Pb-Pb）碰撞數(shù)據(jù)進行了專門的施溫格產(chǎn)生磁單極搜索。實驗使用一種稱為SQUID（超導(dǎo)量子干涉裝置）磁強計對暴露的束管進行掃描。SQUID 可以檢測極其微弱的磁場，使其成為尋找捕獲磁單極的微弱信號的理想選擇。

雖然這些搜索沒有發(fā)現(xiàn)磁單極的明顯跡象，但它確實取得了重大進展。MoEDAL 在2 到45 Dirac單位（磁荷單位）范圍內(nèi)為高磁荷磁單極設(shè)定了世界領(lǐng)先的質(zhì)量限制。這有效地排除了質(zhì)量高達80 GeV（吉電子伏特）的磁單極的存在，置信度為95%。這些結(jié)果代表了對這些難以捉摸的粒子的重大進展。

未來的道路

MoEDAL 對施溫格產(chǎn)生的磁單極的搜索是一項正在進行的工作。隨著 LHC 繼續(xù)以更高的亮度（單位時間內(nèi)碰撞數(shù)）運行并探索新型碰撞，MoEDAL 將能夠獲得不斷增長的數(shù)據(jù)集，這有可能導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)磁單極或完善排除限制。

MoEDAL 探測器系統(tǒng)的未來升級也已計劃。這些升級旨在增強實驗的靈敏度并允許探索更廣泛的磁單極特性。此外，與理論物理學(xué)家的合作對于完善模型至關(guān)重要，這些模型預(yù)測了在各種 LHC 運行條件下施溫格磁單極的產(chǎn)生率。