Adam Hadhazy 中科院物理所

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几十年来,物理学家们一直在寻找磁单极子,希望能借助它整合出万物理论。如今,我们和磁单极子的距离或许比以往都更加接近,甚至有可能已经遇到了它。

图片来源:(左)Tek Image/Science Source;(右)Dimitri Otis/Getty Images

来源 Discover Magazine

撰文 Adam Hadhazy

翻译 LYM

审校/编辑 戚译引

小时候,詹姆斯·平弗德(James Pinfold)喜欢玩磁铁。他回忆,那种无形的力量把金属物体吸在一起或分开,令他惊讶不已。出于好奇,他曾经把一块磁铁锯成两半,试图把磁铁的北极和南极分开。像其他曾经尝试过的人一样,平弗德最终只能得到一对更小的两极磁铁。现在,平弗德已经是阿尔伯塔大学(University of Alberta)的物理学家了,他说:“我曾想,‘这太不可思议了’,为什么就没有独立的磁极呢?“

平弗德从未停止思考这个问题。如今他领导着一个实验,目的是寻找具有单个磁荷的理论粒子,这种单一磁荷有了北极就没有南极,反之亦然,它被称为磁单极子。在物理学家提出的种种关于统一自然界基本力的理论中,它们的存在似乎是完全可能的,甚至是不可避免的。

然而几十年来,这种麻烦的粒子始终躲避着科学的搜寻。科研人员已经搜寻了天空、海水和冰块,他们从北极和南极洲采集岩石样本,在陨石和月球尘埃中进行搜索,在近 10 亿年前的矿石中寻找它们的踪迹。可以说,在科学的历史上,无论从时间还是空间的角度,没有别的东西经历过同样规模的搜寻。但是至今我们仍然一无所获。

但是物理学家们并没有打算认输。平弗德正在耗资 40 亿美元的大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)上进行实验,通过筛选亚原子碎片寻找具有单极子特征的粒子。科学家们也在密切关注来自太空的宇宙单极子。甚至可以说,我们有可能已经发现了这神奇的粒子。

(图片来源:Dan Bishop/Discover)

何必这样大费周章呢?因为磁单极子也许有助于打破粒子物理学当前的僵局。经过了几十年的建立,标准模型(Standard Model)的框架已经能用量子力学的语言精确描述自然界四种基本力中的三种及其伴随的粒子。然而,作为所有科学中最成功的理论之一,标准模型仍不完整,它无法描述引力,也不能解释暗物质的问题——这种神秘物质的量远超常规物质,是可见物质的5倍。

磁单极子是一种全新的粒子,它可以为我们指出前进的方向。“单极子将帮助我们超越现有的标准模型,”平弗德说。磁单极子可以揭示如何将三种标准力结合起来,允许科学家们向所谓的万物理论更进一步,把所有的物理学放在一个屋檐下。人类最终可以理解宇宙行为的整体性。

但首先,我们要捕获它。

一个持久的问题

磁单极子之谜可以追溯到 150 年前。19 世纪 60 年代,著名的苏格兰数学物理学家詹姆斯·克莱克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)提出了将磁和电现象结合起来的方程式(即麦克斯韦方程组),这两种现象都表达了相同的基本力,被称为电磁力。

在方程式中,麦克斯韦将已知的正电荷和负电荷包含其中。相反的电荷很容易分开,比如你用一个气球摩擦头发,头发就会因为获得了额外的静电荷竖起来,这很容易做到。但是,因为磁力总是成对出现,即表现为连接南北极的偶极,所以麦克斯韦没有把单个的磁荷包括在其理论中。

麦克斯韦的模型不需要磁荷也能很好地运作;他的见解使得大多数现代技术成为可能,从发电到无线通信再到计算机。

然而,20 世纪的物理学理论发展直接引出了单极子的存在。 1931 年,英国理论物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac)证明在量子力学中允许存在这样一个粒子,然后到了 20 世纪 70 年代,单极子成为了大统一理论的一种结果。

物理学家詹姆斯·平弗德长期以来一直在寻找磁单极子,他说,他的探测“将使我们远远超出目前的标准模型”。(图片来源:Richard Soluk)

这个框架将自然界的三个基本力——强力、弱力和电磁力——结合成一个整体。但是,这种统一只有在炽热而充满能量的宇宙大爆炸中才有可能。另外,弦理论认为力和粒子都是由细小的弦状单元的振动产生的,这给磁单极子的存在又一次提供了有力的证据支撑。

作为世界上最著名的弦理论家之一,加利福尼亚大学圣巴巴拉分校(University of California, Santa Barbara)的约瑟夫·波尔辛斯基(Joseph Polchinski)在2002 年评论说,磁单极子的存在是“关于物理学最保险的赌注之一,但它迄今为止还没露面。”16 年后,在他于 2018 年 2 月去世之前,他仍然坚持这一观点。他说:“每当你进入一个完全统一的物理学理论,你总是会发现磁单极子。”

对单极子最简单的描述,就是它们是携带磁荷的基本粒子。它们类似于携带电荷、电子和夸克的粒子,而后者构成了我们周围的物质。

磁单极子也会表现出我们所熟悉的行为:相同的磁荷会相互排斥,而相反的磁荷会相互吸引。这些粒子很可能具有相当大的质量。科学家们相信它们将以可预测的、最终可探测的方式与日常物质相互作用。

理论物理学家阿图·拉赞提(Arttu Rajantie)说:“在非常基本的水平上,这就是我们认为单极子值得寻找的原因。我们确实了解它们会有怎样的行为。”

磁单极子“嫌疑人”

尽管物理学家们还在努力寻找磁单极子,但几十年前的研究发现表明我们可能已经偶然找到了它们。

1982 年 2 月 14 日,斯坦福大学(Stanford University)的研究人员在超导回路上探测到了一种特征电流,这种电流被认为只可能来自磁单极子。三年后,在帝国理工学院(Imperial College London),类似的实验中再次出现了一股无法解释的电流,与理论预测完全吻合。由于没有其他探测器报告这样的事件,许多科学家认为这些信号是无法解释的仪器误差或背景噪声。但是平弗德认为,如果是这样的话,那么这些年中一定还会探测到其他虚假的、可以被解释的信号。他说:“实际上,很难有一个实验问题能够完全模仿磁单极子的信号。”

甚至早在 1973 年,由加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)领导的一个研究小组就发射了一个装有一堆探测器的气球,其中包括类似于在 LHC 的 MoEDAL 探测器中使用的塑料板。在爱荷华州苏城(Sioux City)附近,一些高质量并且引人关注的单极型物质高速穿过机载探测器,不过它更像是从深空呼啸而来的重元素核,就像宇宙射线一样。再一次,这个事件没有重现,这让科学家们感到沮丧又好奇。

MoEDAL 探测器

拉赞提的名字 “阿图”(Attu)的发音很像《星球大战》(Star Wars )中的角色 R2-D2,一个可爱的蹲伏式机器人;这个形象的玩具就坐在他在伦敦帝国理工学院的办公室的电脑上。拉赞提偶尔也会拜访位于瑞士日内瓦的 LHC,他参与了平弗德的项目,一同寻找磁单极子。这项合作被称为“MoEDAL”,发音和“勋章”(medal)相同,全称“LHC 磁单极子和奇异粒子探测器“(Monopole and Exotics Detector at the LHC),聚集了来自四大洲的 70 多人。MoEDAL 在 2015年开始收集数据,并将与 LHC 目前这一轮运行计划同步,于今年 12 月结束,并可能加入 LHC 下一轮运行计划,时间是 2020 年到 2022 年。

来参观 LHC 的人可能不会留意到 MoEDAL,它看起来就像一组银色金属储物柜。MoEDAL 与 LHCb 项目的一部分共享一间地下室。LHCb 项目耗资巨大,占据一座房屋;它探测底夸克,这是一种寿命短暂的粒子,产生于两束质子的正面碰撞,质子束的速度接近光速。这些质子束穿过两条长约 17 英里、环绕着 LHC 的管道飞来,而质子烟火就发生在 MoEDAL 所在的地下室内。

MoEDAL 的锁形探测器环绕着碰撞点,等待着任何可能留下痕迹的磁单极子。这些粒子会穿过 MoEDAL 的组件中薄薄的塑料片,留下极其细微的永久性的破坏痕迹。“MoEDAL 就像一个巨大的相机,”平弗德说,塑料板“就像它的胶片。”如果他的团队在胶片中发现了一组排列整齐的小洞,指向 LHC 的质子碰撞,平弗德和研究团队就可以拿起香槟庆祝了。

“MoEDAL 只能检测到新的物理现象,”平弗德说,“已知的标准模型粒子中没有一个可以在我们的塑料板中留下痕迹。”因此探测器应该发现的不仅仅是单极子,更可能是一群新奇的粒子。“只要发生一个检测事件,就足以确定发生了一些奇妙的事情,”平弗德说。

欧洲核子研究中心大型强子对撞机的 MoEDAL 实验搜寻粒子碰撞的碎屑,从中寻找寻找单极子。(图片来源:Maximilien Brice/CERN)

MoEDAL 中的第二种探测器由铝制成,它能“诱捕”叛逃的粒子,从而能够更好地捕获磁单极子。拉赞提说:“如果磁单极子穿过铝,它会减速并被困住。”研究人员通过将铝放进一个超导回路(一种能探测弱磁场的装置)来探测它的存在。普通的偶极磁铁在环路中产生两个电流,并相互抵消;然而一个磁单极子将引发持续的电流。平弗德说:“被捕获的磁单极子产生的电流信号是没有办法伪造的。”

磁单极子捕获装置已经就位,现在所有研究人员要做的就是观察和等待,还有祈祷。

寻找全天然磁单极子

在地球的另一端,科学家们采取了不同的方法。除了利用人造粒子碰撞来捕获人造的磁单极子以外,另一些物理学家正在寻找自然界中来自宇宙的磁单极子,它们最初是在宇宙大爆炸中产生的,然后从太空坠落到地球。这些磁单极子的尺寸范围很广,包括从超重型到轻型的磁单极子,且它们以完全不同的速度运动,其中由磁场带动的磁单极子速度最快,以接近光速运动。

在阿根廷的皮埃尔·奥格天文台中,1660 个水箱组成了近 1200 平方英里的实验装置。这些水箱可以探测到磁单极子和宇宙射线产生的粒子簇。(图片来源:Pierre Auger Observatory)

那些运动速度极快的磁单极子是皮埃尔·奥格天文台(Pierre Auger Observatory)主要的探测目标。这个天文台位于阿根廷西部安第斯山脉脚下的平原上,主要探测宇宙射线,也就是穿过宇宙的一些极高能量粒子。当宇宙射线进入我们的空域后,它首先会打碎一些地球大气层中的分子。撞击产生的碎片随后引发数十亿粒子的级联链式反应,一起向地面喷涌并发出有特征的紫外光,这称之为大气簇射(air shower)。

运气好的话,奥格天文台的紫外线望远镜也可以探测到一颗正在降落的宇宙磁单极子。宇宙射线和磁单极子的信号差异很容易发现:宇宙射线的紫外线能量在早期达到峰值,然后随着大气簇射的消失而减弱;然而磁单极子更加“坚强”,会在降落时继续释放能量。

芝加哥大学(University of Chicago)的天体物理学家、奥格天文台的一名主要研究员保罗·普里维特拉(Paolo Privitera)说:“一切都是基于单极子与探测器中的物质相互作用的事实。”在 MoEDAL 中,探测器的材质是塑料和铝;而普里维特拉说:“在我们的探测器中,是空气,或者说是大气在起作用。”

到目前为止,奥格天文台仍未在天空中发现任何磁单极子。但是,利用天文台的宇宙射线探测器,捕捉它们的几率应该大大提高。这些探测器由近 1700 个充满水的水箱组成,散布在 1200 平方英里的土地上,其总面积只比罗德岛州小一点点。在由宇宙射线导致的大气簇射中,高能粒子在水中穿行的速度可以比光还快(光只在真空中以不可阻挡的最高速度移动)。在这个过程中,粒子发出可探测的光闪烁,称为契伦科夫辐射(Cherenkov radiation),类似于光学音爆。磁单极子的簇射也应产生这种效果,因此同样可以利用水箱来发现它们。奥格天文台的研究人员目前正在研究如何将它们与宇宙射线区分开来。

另一个天文台是位于南极的冰立方中微子天文台(IceCube Neutrino Observatory),它不使用空气或液态水,而是使用冰作为磁单极子的探测装置。该项目的科学家已将集成数千个传感器的大量电缆埋入一块直径四分之一英里的原始南极冰中。传感器的主要任务是探测被称为“幽灵粒子”的中微子,它与冰分子相互作用,产生快速运动的带电粒子,同时产生契伦科夫光。

在南极,冰立方中微子天文台使用南极洲的冰来搜寻粒子,包括天然磁单极子。(图片来源:Ice Cube/NSF)

快速运动的磁单极子同样可以产生契伦科夫光,直径相对较大的慢速单极子也可以做到,但是二者的原因不同。这些磁单极子,产生于宇宙大爆炸中大统一年代(Grand Unified era)的早期,当三个基本力合为一体时,磁单极子将可能拥有极高的能量密度,此时标准模型的粒子和基本力之间的差异消失。平弗德说:“大统一理论中的磁单极子在它的微小核心中包含了一点宇宙大爆炸的影子,就是那个所有力都相同的时刻。”当冰中的质子处于磁单极子的核心时,基本粒子的差异在这里消失,质子发生衰变,组成它的夸克转变为其他粒子,例如正电子,同时产生可探测的切伦科夫光。

到 2015 年,研究人员发布了最近一期的相关研究报告——基于冰立方中微子天文台两年的数据,他们仍然没有找到磁单极子。但需要重申的是,耐心等待会获得回报。

磁性研究的未来

如果磁单极子或者粒子碰撞产生的碎片真的出现在地球附近,我们一定会知道。如果有人真的在某个地方干脆利落地捕获了一个磁单极子,那么真正有趣的事情就开始了。操纵磁单极子很容易,只需要施加普通的电磁场,就可以按照我们的意愿弯曲它的运动路径。磁单极子可能以磁流而非电流形式流动,从而为使用“磁电力(magnetricity) ”的技术铺平道路,也许在超紧密数据存储或完全重新设计的计算机体系结构中有着广阔的应用前景。

至于科学实验方面,通过研究一种新的粒子,我们有机会最终实现大统一理论,甚至是万物理论。要进入物理学研究的新领域,可能需要用单极子进行对撞在,那可能得到十分激动人心的结果。拉赞提说:“如果我们能找到磁单极子,那么我们粒子物理学家最终想要做的就是制造一个对撞机,将磁单极子与其他粒子对撞,看看会发生什么。”谁知道,也许 LHC 可以让位给 LMC——大型磁单极子对撞机(Large Monopole Collider)呢?

并且,平弗德和那些像他一样想知道为什么磁铁不能分成单独的北极或南极的人也将最终找到答案。

平弗德说:“磁单极子像一根金线,贯穿现代宇宙理论的发展。如果我们确实发现了什么,那将是一件极其重要的事情。”

时髦的新物理学

虽然磁单极子是 MoEDAL 所寻找的一条“大鱼”,但实验也可以捕捉到很多有趣的其他“海产品”。下面是其他一些可能在 MoEDAL 的探测系统中留下异常痕迹的物质。

黑洞残留物:大型强子对撞机中的粒子碎片有可能产生微型黑洞。(别担心,这些尘埃并不能吞噬整个地球。)已故的著名物理学家斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)认为微小的物体会迅速失去质量并蒸发,但是残留的粒子可能会继续存在。这些残余物或许能帮助我们在描述宇宙最大和最小尺度的、互不相容的理论之间架起一座桥梁,并可能构成了相当大一部分目前无法解释的暗物质。

奇异子(strangelet):日常物质原子中的质子和中子由“上夸克”和“下夸克”组成。然而,所谓的奇异物质会将更重的“奇异”夸克抛进这种混合物中,产生一种名为奇异子的粒子。这种假想物质的能量态可能低于常规物质,使其更加稳定。那些爆炸的巨大恒星(目前被称为中子星)的致密残骸可能是由这种物质组成,也许可以给它们一个更酷的命名:奇异恒星。

超对称粒子。超对称性提出每个已知的基本粒子都具有一个超对称伴子。例如夸克的伴子是标量夸克(squark),电子的伴子是标量电子(selectron)。这些超对称粒子可能存在于我们未知的额外空间维度。如果是这样,这就可以解释为什么引力与自然界的其他力相比如此微弱——因为那些都存在于我们研究之外的领域。


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编辑:Shiny