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

Das beständige Geheimnis, den einzigen magnetischen Monopol des Universums zu entdecken

Wissenschaftliche Entdeckungen finden oft statt, wenn Sie es am wenigsten erwarten. Aber niemand hätte das erwarten können.

Stellen Sie sich vor, Sie sind ein Wissenschaftler, der ein Experiment entwirft und baut, von dem jeder erwartet, dass es absolut nichts sieht. Sie investieren am Rande in die Physik: Sie suchen nach einem Zeichen für ein unwahrscheinliches, aber theoretisch nicht unmögliches Teilchen, das noch nie zuvor gesehen wurde. Einige Wissenschaftler haben über viele Jahrzehnte spekuliert, dass ein solches Teilchen möglicherweise existieren könnte, aber alle Versuche, seine Existenz - sowohl direkt als auch indirekt - nachzuweisen, sind leer ausgefallen.

Eines Wochenendes bereiten Sie Ihr langjähriges Experiment vor und beschließen, 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, wie durch einen Stabmagneten dargestellt: ein magnetischer Dipol mit einem Nord- und Südpol, die miteinander verbunden sind. Diese Permanentmagnete bleiben auch nach dem Entfernen externer 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 grundlegende Wahrheit unserer Naturgesetze.

Die einzige Möglichkeit, Magnetfelder zu erzeugen, besteht darin, sich bewegende elektrische Ladungen zu haben: elektrische Ströme. Diese Ströme können auf atomarer oder molekularer Ebene erzeugt werden, wenn einzelne Elektronen in viel größeren makroskopischen Strukturen umkreisen. Selbst die Ihnen bekannten Permanentmagnete können den Nord- oder Südpol nicht gelöst haben. Sie können nur zusammen existieren.

Magnetische Strings können unter bestimmten Laborbedingungen erzeugt werden, wobei die beiden Enden der Strings, die dem Nord- und Südpol entsprechen, durch extrem große Abstände gut voneinander getrennt sein können. Wenn ein Pol relativ isoliert vom Rest gehalten wird, kann ein Quasiteilchen entstehen, das als magnetisches Monopolanalogon dient. (DJP MORRIS ET AL. (2009), SCIENCE VOL. 326, 5951, S. 411–414)

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

1.) Wir können Quasiteilchen erzeugen, die magnetischen Monopolen ähneln. In bestimmten Anwendungen der Festkörperphysik können Magnetketten erzeugt werden, bei denen lange, dünne Magnete auf einem Gitter erzeugt werden, sodass Sie Nord- und Südpole über große Entfernungen trennen können. Wenn Sie sie durch ausreichend große Abstände voneinander trennen können, scheint es beim Betrachten Ihres Systems nur einen Pol zu geben. Der andere Pol ist jedoch noch da; Es ist nur gut getrennt und isoliert von der Stange, die Sie messen.

Es ist möglich, eine Vielzahl von Gleichungen wie Maxwells Gleichungen aufzuschreiben, die das Universum beschreiben. Wir können sie auf verschiedene Arten aufschreiben, aber nur durch den Vergleich ihrer Vorhersagen mit physikalischen Beobachtungen können wir Rückschlüsse auf ihre Gültigkeit ziehen. Deshalb entspricht die Version von Maxwells Gleichungen mit magnetischen Monopolen (rechts) nicht der Realität, 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 buchstäblich eine theoretische Einbildung: Ändern Sie die bekannten Gesetze der Physik, um die Schaffung einer neuen Art von Materie zu ermöglichen. Die Modifikation ist einfach: Anstelle von nur 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 positiven und negativen Versionen; magnetische Ladungen existieren in Nord- und Südversionen.
  • Bewegliche elektrische Ladungen erzeugen Magnetfelder; bewegte magnetische Ladungen erzeugen elektrische Felder.
  • Durch das Ändern der Magnetfelder bewegen sich elektrische Ladungen. Wenn sich jetzt die elektrischen Felder ändern, bewegen sich magnetische Ladungen.

Dies wurde zum ersten Mal in den 1930er Jahren von Dirac 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 vereint 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 er 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, da die elektroschwache Vereinigung viele darauf hinwies, dass es bei noch höheren Energien möglicherweise zusätzliche Arten von Vereinigungen geben könnte.

Wenn die Kräfte und Wechselwirkungen in der Vergangenheit einheitlicher wären, würde dies die Existenz einer neuen Physik implizieren, die über das hinausgeht, was derzeit im Standardmodell bekannt ist. Das Aufbrechen dieser Symmetrien, um das heutige Niedrigenergieuniversum zu erhalten, führt zur Vorhersage zusätzlicher Felder und neuer massereicher Teilchen. In vielen Inkarnationen sind magnetische Monopole (der Sorte 't Hooft / Polyakov) einige dieser neuen Vorhersagen.

Das Konzept eines magnetischen Monopols, der Magnetfeldlinien genauso emittiert wie eine isolierte elektrische Ladung elektrische Feldlinien emittiert. Im Gegensatz zu magnetischen Dipolen gibt es nur eine einzige isolierte Quelle. (BPS-STAATEN IM OMEGA-HINTERGRUND UND INTEGRABILITÄT - 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 läuft. Das Durchführen eines Magneten durch eine leitende Schleife würde ein Signal registrieren: ein positives Signal einer bestimmten Größe, wenn der erste Pol durch ihn hindurchgeht, und ein negatives Signal gleicher Größe, wenn der zweite Pol durchläuft.

Wenn magnetische Monopole jedoch real wären, würden Sie ein Signal erhalten, das nur eine Richtung hat: positiv oder negativ, gefolgt von einem Fehler, zu Ihrer Grundlinie von Null zurückzukehren. In den 1970er Jahren entwarfen und bauten einige Forscher genau diese Art von Experiment. 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 MoEDAL des LHC, die auch zum Nachweis exotischer Partikel wie magnetischer Monopole entwickelt wurden, primitiv waren, sind viele der grundlegenden Designelemente universell. (CERN / MOEDAL COLLABORATION)

Cabrera entwarf sein Experiment für den Betrieb bei kalten, kryogenen Temperaturen, wobei nicht nur eine Schleife aus Draht hergestellt wurde, 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, sehen Sie ein Signal von genau 8 Magnetonen.

Wenn Sie andererseits einen Dipolmagneten durch ihn hindurchführen, 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) wäre, würden Sie wissen, dass Sie keine magnetischen Monopole sehen.

Vor dem Ereignis vom 14. Februar 1982 waren die einzigen im Detektor von Cabrera registrierten Ereignisse 2 Magnetonen oder weniger. 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 SUPERKONDUKTIVEN DETEKTORS FÜR DIE BEWEGUNG 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 magnetischer Monopol zu sein.

Das Gerät hat niemals 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 aufgezeichnet hatten.

In einem Experiment unter der Leitung von Blas Cabrera, einer mit acht Drahtwindungen, wurde 1982 eine Flussänderung von acht Magnetonen festgestellt: Hinweise auf 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 SUPERKONDUKTIVEN DETEKTORS FÜR DIE BEWEGUNG VON MAGNETISCHEN MONOPOLEN, PHYSICAL REVIEW LETTERS, 48 (20) 1378–1381)

Die Entdeckung brüllte durch die Gemeinde und stieß auf großes Interesse. Es wurden enorme Geräte mit größeren Oberflächen und mehr Schleifen gebaut, und viele neue Gruppen schlossen sich der Suche nach magnetischen Monopolen an. Trotz der großen Investition von Ressourcen wurde nie ein anderer Monopol 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 die Monopolnummer ZWEI!

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

Experimentelle Grenzen für die Existenz magnetischer Monopole. Die unterste Linie im Diagramm stellt die strengste Grenze dar und stammt aus dem IceCube-Experiment. Ein zweiter magnetischer Monopol wurde in den 37 Jahren, in denen wir nach ihnen gesucht haben, nie gefunden. (KATZ, UF 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 ein beispielloser Fehler in der Ausrüstung? Ein ungewöhnlicher kosmischer Strahl mit bisher unerklärlichen Eigenschaften? Oder vielleicht ein Streich, der von einem Studenten, Rivalen oder professionellen Saboteur gespielt wird?

In der experimentellen Wissenschaft ist es das Wichtigste, Ihre Ergebnisse replizieren zu können, und eine zweite Monopolerkennung ist nie zustande gekommen. So schön ein symmetrisches Universum auch sein mag, das scheint einfach nicht das Universum zu sein, das wir haben. Niemand weiß, was passiert ist, um uns zu täuschen, wir hätten einen magnetischen Monopol entdeckt, aber ohne wiederholte Bestätigung haben wir keine andere Wahl, als zu dem Schluss zu kommen, dass er nicht real war. Magnetische Monopole scheinen, soweit wir das beurteilen können, nicht zu existieren.

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