Elektromagnetische Felder, wie sie durch positive und negative elektrische Ladungen sowohl in Ruhe als auch in Bewegung erzeugt würden (oben), sowie solche, die theoretisch durch magnetische Monopole erzeugt würden (unten), wenn sie existieren würden. (WIKIMEDIA COMMONS USER MASCHEN)

Das beständige Rätsel der Entdeckung des einzigen magnetischen Monopols des Universums

Wissenschaftliche Entdeckungen passieren oft, wenn Sie es am wenigsten erwarten. Aber niemand hätte das erwartet.

Stellen Sie sich vor, Sie sind ein Wissenschaftler, der sich an die Arbeit macht, um ein Experiment zu entwerfen und zu erstellen, von dem jeder erwartet, dass es absolut nichts sieht. Sie sind am Rande der Physik investiert: Sie suchen nach einem Zeichen für ein unwahrscheinliches, aber theoretisch nicht unmögliches Teilchen, das Sie noch nie zuvor gesehen haben. Einige Wissenschaftler haben über viele Jahrzehnte spekuliert, dass ein solches Teilchen möglicherweise existieren könnte, aber alle Versuche, seine Existenz - sowohl direkte als auch indirekte - festzustellen, blieben erfolglos.

Eines Wochenendes baust du dein langjähriges Experiment auf und entschließt dich, an diesem Sonntag nicht ins Labor zu kommen. Wenn Sie am Montag zurückkehren, stellen Sie fest, dass das Undenkbare eingetreten ist: Ihr Detektor hat ein Signal registriert, das Sie noch nie zuvor gesehen haben. Zum ersten (und einzigen) Mal haben Sie Beweise für ein brandneues Partikel gesehen. Dies ist nicht nur ein Traumszenario. Dies geschah tatsächlich am Valentinstag 1982.

Magnetfeldlinien, dargestellt durch einen Stabmagneten: ein magnetischer Dipol, bei dem Nord- und Südpol miteinander verbunden sind. Diese Permanentmagnete bleiben auch nach Wegnahme äußerer Magnetfelder magnetisiert. (NEWTON HENRY SCHWARZ, HARVEY N. DAVIS (1913) PRAKTISCHE PHYSIK)

In der Wissenschaft des Elektromagnetismus gibt es zwei Arten von Ladungen: positive und negative. Diese Grundladungen sind rein elektrischer Natur und haben keine intrinsische magnetische Ladung. Sicher, Sie können Nord- und Südmagnetpole haben, aber niemals einen ohne den anderen. Die Tatsache, dass Elektromagnetismus keine symmetrische Theorie ist - dass es elektrische Ladungen gibt, aber keine magnetischen -, ist eine fundamentale Wahrheit unserer Naturgesetze.

Der einzige Weg, wie wir Magnetfelder erzeugen können, besteht in bewegten elektrischen Ladungen: elektrischen Strömen. Diese Ströme können auf atomarer oder molekularer Ebene erzeugt werden, wenn einzelne Elektronen in viel größeren makroskopischen Strukturen kreisen. Selbst die Ihnen bekannten Permanentmagnete können Nord- oder Südpole nicht gelöst haben. Sie können nur im Tandem existieren.

Magnetketten können unter bestimmten Laborbedingungen erzeugt werden, wobei die beiden Enden der Ketten, die Nord- und Südpolen entsprechen, durch extrem große Abstände gut voneinander getrennt sein können. Wenn ein Pol relativ isoliert von den anderen gehalten wird, kann ein Quasiteilchen entstehen, das als magnetisches Monopolanalogon dient. (D.J.P. MORRIS ET AL. (2009), SCIENCE BAND 326, 5951, S. 411–414)

In der Natur ist das Finden eines Nordpols und eines Südpols zusammen eine unumgängliche Eigenschaft des Magnetismus. Magnete existieren, aber nur in Form von magnetischen Dipolen. Es gibt keinen magnetischen Nord- oder Südpol für sich: einen magnetischen Monopol. Wenn wir eine erstellen wollten, gibt es nur zwei Möglichkeiten. (Und der erste Weg beinhaltet ein bisschen Schummeln.)

1.) Wir können Quasiteilchen erzeugen, die magnetischen Monopolen ähneln. In bestimmten Anwendungen der Festkörperphysik ist es möglich, Magnetketten zu erstellen, in denen lange, dünne Magnete auf einem Gitter erzeugt werden, mit denen Sie Nord- und Südpole über große Entfernungen voneinander trennen können. Wenn Sie sie durch ausreichend große Abstände voneinander trennen können, scheint es, wenn Sie Ihr System betrachten, dass nur ein Pol existiert. Der andere Pol ist jedoch noch da; Es ist nur gut von dem Pol getrennt, den Sie messen.

Es ist möglich, eine Vielzahl von Gleichungen aufzuschreiben, wie Maxwells Gleichungen, die das Universum beschreiben. Wir können sie auf verschiedene Arten aufschreiben, aber nur wenn wir ihre Vorhersagen mit physikalischen Beobachtungen vergleichen, können wir Rückschlüsse auf ihre Gültigkeit ziehen. Dies ist der Grund, warum die Version von Maxwells Gleichungen mit magnetischen Monopolen (rechts) nicht der Realität entspricht, während die Version ohne (links) dies tut. (ED MURDOCK)

2.) Wir könnten die Theorie des Elektromagnetismus dahingehend modifizieren, dass sie magnetische Monopole enthält. Dies ist im wahrsten Sinne des Wortes ein theoretischer Einfall: Ändere die bekannten Gesetze der Physik, um eine neue Art von Materie zu erschaffen. Die Modifikation ist einfach: Anstelle von elektrischer Ladung wird angenommen, dass auch eine neue Art von Ladung - magnetische Ladung - existiert. Wenn Sie dies zu Ihrer Theorie hinzufügen, wird der gesamte Elektromagnetismus symmetrisch.

  • Elektrische Ladungen existieren in positiver und negativer Version; magnetische Ladungen existieren in der Nord- und Südversion.
  • Sich bewegende elektrische Ladungen erzeugen Magnetfelder; sich bewegende magnetische Ladungen erzeugen elektrische Felder.
  • Wechselnde Magnetfelder bewirken, dass sich elektrische Ladungen bewegen. Jetzt ändernde elektrische Felder bewirken, dass sich magnetische Ladungen bewegen.

Dies wurde zuerst von Dirac in den 1930er Jahren herumgespielt, aber niemand nahm es ernst, weil es an Beweisen mangelte.

Die Idee der Vereinigung besagt, dass alle drei Kräfte des Standardmodells und möglicherweise sogar die Schwerkraft bei höheren Energien in einem einzigen Rahmen vereinigt sind. Diese Idee ist mächtig, hat zu viel Forschung geführt, ist aber eine völlig unbewiesene Vermutung. Dennoch sind viele Physiker davon überzeugt, dass dies ein wichtiger Ansatz zum Verständnis der Natur ist, und es hat zu einigen interessanten, allgemeinen und überprüfbaren Vorhersagen geführt. (© ABCC AUSTRALIA 2015 NEW-PHYSICS.COM)

In den 1970er Jahren gab es jedoch ein erneutes Interesse an Theorien, die symmetrischer waren als das Universum, das wir heute kannten und beobachteten. Große Vereinigungstheorien kamen in Mode, als die elektroschwache Vereinigung viele zu der Annahme veranlasste, dass es bei noch höheren Energien möglicherweise weitere Arten von Vereinigungen geben könnte.

Wenn die Kräfte und Wechselwirkungen in der Vergangenheit einheitlicher wären, würde dies bedeuten, dass es eine neue Physik gibt, die über das hinausgeht, was derzeit im Standardmodell bekannt ist. Das Aufbrechen dieser Symmetrien, um das heutige Universum mit niedriger Energie zu erhalten, führt zur Vorhersage zusätzlicher Felder und neuer, massereicher Partikel. In vielen Inkarnationen gehören magnetische Monopole (der Sorte 't Hooft / Polyakov) zu diesen neuen Vorhersagen.

Das Konzept eines magnetischen Monopols, der Magnetfeldlinien aussendet, genauso wie eine isolierte elektrische Ladung elektrische Feldlinien aussendet. Im Gegensatz zu magnetischen Dipolen gibt es nur eine einzige, isolierte Quelle. (BPS-STAATEN IM HINTERGRUND UND INTEGRABILITÄT VON OMEGA - BULYCHEVA, KSENIYA ET AL. JHEP 1210 (2012) 116)

Wann immer Sie eine interessante, überzeugende theoretische Vorhersage haben, möchten Sie einen Weg finden, diese zu testen. Wenn magnetische Monopole das Universum durchdringen, besteht die Möglichkeit, dass wir einen von ihnen entdecken, wenn er durch eine Drahtschleife verläuft. Wenn Sie einen Magneten durch eine Leiterschleife leiten, wird ein Signal registriert: ein positives Signal mit einer bestimmten Stärke, wenn der erste Pol durch ihn läuft, und ein negatives Signal mit der gleichen Stärke, wenn der zweite Pol durch ihn läuft.

Wenn jedoch magnetische Monopole real wären, würden Sie ein Signal erhalten, das nur eine Richtung hat: positiv oder negativ, gefolgt von einem Misserfolg, zu Ihrer Grundlinie von Null zurückzukehren. In den 1970er Jahren entwarfen und bauten einige Forscher genau diese Art von Experimenten. Der mit Abstand berühmteste wurde vom Physiker Blas Cabrera zusammengestellt.

Obwohl die ursprünglichen Experimente zur Suche nach magnetischen Monopolen im Vergleich zu Detektoren wie IceCube oder dem MoEDAL des LHC, die auch zur Erkennung exotischer Partikel wie magnetische Monopole entwickelt wurden, primitiv waren, sind viele der grundlegenden Designelemente universell. (CERN / MOEDAL-ZUSAMMENARBEIT)

Cabrera entwarf sein Experiment, um bei kalten, kryogenen Temperaturen zu arbeiten. Dabei wurde nicht nur eine Schleife aus Draht hergestellt, sondern eine Spule mit acht Schleifen. Die Spule wurde zur Messung des Magnetflusses entwickelt und optimiert. Wenn also ein Monopol eines Magnetons (die theoretische Einheit des quantisierten Magnetismus) durch sie hindurchgeht, wird ein Signal von genau 8 Magnetonen angezeigt.

Wenn Sie dagegen einen Dipolmagneten passieren, erhalten Sie ein Signal von +8, gefolgt von einem von -8 (oder -8, gefolgt von +8), sodass Sie zwischen einem Monopol und einem Dipol unterscheiden können . Wenn das Signal etwas anderes als 8 Magnetonen (oder ein Vielfaches von 8) war, würden Sie wissen, dass Sie keine magnetischen Monopole sehen.

Vor dem Ereignis vom 14. Februar 1982 wurden im Detektor von Cabrera nur Ereignisse mit 2 Magnetonen oder weniger registriert. Das eine Ereignis von 8 Magnetonen war beispiellos und stimmte mit einem magnetischen Monopol der vorhergesagten (Dirac) -Ladung überein, die durch es hindurchgeht. (CABRERA B. (1982). ERSTE ERGEBNISSE EINES SUPERLEITENDEN DETEKTORS ZUM BEWEGEN VON MAGNETISCHEN MONOPOLEN, PHYSICAL REVIEW LETTERS, 48 (20) 1378–1381)

Also baute er dieses Gerät und wartete. Das Gerät war nicht perfekt und gelegentlich sendete eine der Schleifen ein Signal, das ein falsches Positiv von +1 oder -1 Magnetonen ergab. In noch selteneren Fällen sendeten zwei Schleifen gleichzeitig ein Signal, was ein falsches Signal von +2 oder -2 ergab. Denken Sie daran, dass Sie ein Signal von 8 (und genau 8) benötigen, um ein magnetisches Monopol zu sein.

Das Gerät hat nie drei oder mehr erkannt.

Dieses Experiment lief einige Monate ohne Erfolg und musste schließlich nur einige Male am Tag überprüft werden. Im Februar 1982 fiel der Valentinstag auf einen Sonntag und Cabrera kam nicht ins Labor. Als er am 15. ins Büro zurückkehrte, stellte er überraschenderweise fest, dass der Computer und das Gerät am 14. Februar 1982, kurz vor 14:00 Uhr, genau 8 Magnetonen aufgenommen hatten.

Im Jahr 1982 wurde bei einem Experiment unter der Leitung von Blas Cabrera, eines mit acht Drahtwindungen, eine Flussänderung von acht Magnetonen festgestellt: Anzeichen für einen magnetischen Monopol. Leider war zum Zeitpunkt der Entdeckung niemand anwesend, und niemand hat dieses Ergebnis jemals reproduziert oder einen zweiten Monopol gefunden. (CABRERA B. (1982). ERSTE ERGEBNISSE EINES SUPERLEITENDEN DETEKTORS ZUM BEWEGEN VON MAGNETISCHEN MONOPOLEN, PHYSICAL REVIEW LETTERS, 48 (20) 1378–1381)

Die Entdeckung verbreitete sich in der Community und stieß auf großes Interesse. Es wurden enorme Geräte mit größerer Oberfläche und mehr Schleifen gebaut, wobei sich viele neue Gruppen der Suche nach magnetischen Monopolen anschlossen. Trotz des hohen Ressourceneinsatzes wurde ein weiteres Monopol nie gesehen. Stephen Weinberg, der berühmte Nobelpreisträger und Entwickler des Standardmodells, schrieb Cabrera am nächsten Valentinstag ein Gedicht:

Rosen sind rot,
Veilchen sind blau,
Es ist Zeit für Monopol
Nummer zwei!

Aber Monopol zwei kam nie. 37 Jahre nach der ersten (und einzigen) Entdeckung wurde die Suche nach magnetischen Monopolen weitgehend eingestellt, wobei das IceCube-Experiment der Antarktis die strengsten Grenzwerte vorsah.

Experimentelle Grenzen für die Existenz magnetischer Monopole. Die unterste Linie im Diagramm stellt die strengste Grenze dar und stammt aus dem IceCube-Experiment. In den 37 Jahren, in denen wir nach ihnen gesucht haben, wurde noch kein zweiter magnetischer Monopol gefunden (KATZ, U.F. ET AL. PROG.PART.NUCL.PHYS. 67 (2012) 651–704).

Wir werden vielleicht nie erfahren, was am Valentinstag 1982 in diesem Detektor vor sich ging. Gab es wirklich einen magnetischen Monopol, der durch ihn hindurchging, wo wir das Glück hatten, ihn zu finden, aber nie einen anderen gesehen haben? War es eine beispiellose Panne in der Ausrüstung? Ein höchst ungewöhnlicher kosmischer Strahl mit bislang unerklärlichen Eigenschaften? Oder vielleicht ein Streich eines Studenten, Rivalen oder professionellen Saboteurs?

In der experimentellen Wissenschaft ist es das Wichtigste, Ihre Ergebnisse reproduzieren zu können, und eine zweite Monopolerkennung ist noch nie erfolgt. So schön ein symmetrisches Universum auch sein mag, es scheint einfach nicht das Universum zu sein, das wir haben. Niemand weiß, was uns zu der Annahme verleitet hat, wir hätten ein magnetisches Monopol entdeckt, aber ohne erneute Bestätigung haben wir keine andere Wahl, als zu folgern, dass es nicht real war. Soweit wir sehen, scheinen magnetische Monopole nicht zu existieren.

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu aufgelegt. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: The Science of Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.