자기 모노폴에 대한 새로운 연구

CERN의 대형 강입자 충돌기의 최근 결과는 여전히 이해하기 어려운 가설 입자에 대한 더 낮은 질량 한계를 설정했다.

 

학교에서 학생들은 자석이 항상 북극과 남극을 가지고 있다는 것을 배운다. 하지만 고전적인 전기역학 이론이나 양자역학에서 자기 단극이 존재할 수 없다고 말하는 것은 없다. 맥스웰 방정식의 전하에 대한 가상의 유사체들이다. 사실, 그들의 존재는 방정식을 더 대칭적으로 만들 것이다. 전기 용어는 자기 용어로 변환될 수 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다(Artu Rajantie, Physics Today, 2016년 10월, 40페이지).

그러나 자기 단극에 대한 연구는 지금까지 아무 것도 발견하지 못했다. 대부분의 실험은 점과 같은 입자인 모노폴을 생성할 수 있는 기본 입자 충돌에 초점을 맞추었다. 이론가들은 표준 모델을 넘어 물리학을 고려하는 다양한 이론에서 예측되는 복합 모노폴과 달리 이러한 모노폴이 생산 단면의 기하급수적인 억제를 겪을 것으로 예상하지 않는다. 그러나 점과 유사하고 복합적인 모노폴은 광자와 강하게 결합할 것으로 예상된다. 이 문제는 이전에 연구자들이 생산 단면을 신뢰성 있게 계산하는 것을 방해했다(물리학 오늘, 2006년 7월, 16페이지 참조).

MoEDAL로 알려진 협력은 대형 강입자 충돌기(LHC)의 모노폴 및 외래물질 검출기로, 중이온 충돌과 함께 다른 전략을 추구했다. 2018년 11월, LHC의 납-납 충돌 실험은 우주에서 관측된 것 중 가장 강한 1016 T의 자기장을 생성하는 데 성공했다. MoEDAL은 이제 결과를 발표했고, 자기 단극이 관측되지는 않았지만, 연구팀은 양성자 질량의 약 80배인 75 GeV보다 작은 질량을 가진 단극의 가능성을 배제했다. 중이온 접근법은 붕괴하는 전기장에서 전자-양전자 쌍을 생성하는 진공 붕괴 효과인 슈윙거 메커니즘에 의존한다. 무거운 이온이 충돌할 때 발생하는 유난히 강한 자기장은 슈윙거 메커니즘에 대한 자기적 대응물로 생각할 수 있다. 전자-양전자 쌍의 생성 대신에, 붕괴하는 자기장은 자기 모노폴과 그 반입자를 생성할 수 있다. Pb-Pb 충돌로 생성된 자기장은 중성자별 표면에서 발견된 자기장의 약 10,000배였다. 가능한 자기 단극을 찾기 위해, 그 공동작업은 높은 자기 모멘트가 자기 전하를 운반하는 입자를 잡을 수 있게 해주는 알루미늄 핵으로 만들어진 탐지기 트랩을 설계했다. 그런 다음 DC 초전도 양자 간섭 장치가 자기 전하의 존재 여부를 감지기를 스캔했다.

자기 모노폴은 발견되지 않았지만, 음성 결과는 향후 실험에서 자기 모노폴을 찾는 범위를 좁힌다. 올 봄에도 수색이 계속될 것입니다. MoEDAL은 더 높은 질량과 자기 전하를 가진 자기 단극을 찾기 위해 LHC에 새로운 탐지기를 배치할 것 이다.