Пресс-центр

На БАК ищут магнитные монополи

Уже почти 90 лет физики ищут магнитные монополи – гипотетические частицы с единичным магнитным зарядом. Недавно эксперимент ATLAS, проходящий на Большом адронном коллайдере (БАК), сообщил о результатах поиска парного рождения таких частиц в протон-протонных взаимодействиях высоких энергий. Проявлений магнитных монополей пока не обнаружено, но поиски будут продолжены.

Электричество и магнетизм тесно связаны. Они являются проявлениями одного фундаментального электромагнитного взаимодействия. Однако электрическое и магнитное поле не совсем равноправны. Для электрического поля существуют точечные источники. Таким источником является любая элементарная частица, обладающая электрическим зарядом. А вот точечных источников магнитного поля пока не обнаружено, существующие статические магниты – объекты протяженные и имеющие как минимум два полюса (например, дипольный магнит). В 1931 году физик-теоретик Поль Дирак предположил, что могут существовать так называемые магнитные монополи – частицы-носители магнитного заряда. Существование таких частиц означало бы полную симметрию между электрическим и магнитным полями (симметричными были бы уравнения Максвелла). С тех пор экспериментаторы не перестают искать проявления магнитных монополей в природе, но их попытки пока не увенчались успехом.

Недавно эксперимент ATLAS выпустил новую экспериментальную работу, посвященную поиску магнитных монополей во взаимодействии протонов на коллайдере БАК. Так как свойства электромагнитного взаимодействия хорошо известны, экспериментаторы знают каков был бы отклик детектора на появление в нем быстрого массивного объекта, обладающего магнитным зарядом. Оказывается, магнитный монополь, несущий фундаментальный единичный магнитный заряд (g0) должен проявлять себя также, как объект, обладающий большим электрическим зарядом, т.е. обладать большой ионизирующей способностью, и следовательно, создавать огромные сигналы в детекторе.

Физики, работающие в эксперименте ATLAS, провели поиск таких HECO-частиц (англ. high-electric-charge object – объекты с большим электрическим зарядом). Прохождение таких частиц должно приводить к большим сигналам в детекторе переходного излучения (Transition Radiation Tracker, TRT) – доля сигналов TRT, превышающих некоторый высокий порог, должна быть высока. Отклик электромагнитного калориметра на прохождение HECO-частиц тоже должен бы быть не совсем обычен – большое энерговыделение проходило бы вдоль трека, а следовательно, большой сигнал характеризовался бы малым поперечным разбросом. На Рис. 1 хорошо видно, что одновременное использование этих двух критериев позволило бы надежно выделить события с образованием магнитных монополей. Увы, таких нестандартных сигналов обнаружено не было.

В современной экспериментальной физике, нацеленной на поиск новых частиц, отсутствие сигнала не означает прекращение работы. Наоборот, необходимо оценить силу сигнала, к которой был бы чувствителен детектор, как функцию физических параметров не обнаруженных частиц. Для монополей такими параметрами являются масса и магнитный заряд частицы. На пространство этих параметров можно наложить экспериментальные ограничения для того, чтобы физики-экспериментаторы уделяли большее внимание еще неисследованным регионам этих параметров, а физики-теоретики включили бы эти знания, как ограничения для своих физических моделей. К ограничению такого рода можно отнести верхний предел на вероятность (сечение) парного рождения магнитных монополей (см. рис. 2). Используя данные, набранные в ходе второго этапа работы БАК (энергия взаимодействующих протонов 13 ТэВ), физикам удалось значительно (в 3-10 раз) улучшить чувствительность своих исследований по сравнению с работой, выполненной на первом этапе, когда энергия взаимодействия протонов составляла 8 ТэВ. Сейчас ограничение на массу монополя достигает 4 ТэВ.

Сотрудники Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ принимают активное участие в эксперименте ATLAS. Как упоминалось выше, в составе экспериментальной установки работает детектор переходного излучения (TRT) в создании которого принимали участие сотрудники Отделения физики высоких энергий Института. Этот детектор как раз предназначен для идентификации заряженных частиц. Он сыграл одну из решающих ролей в поиске монополей. В настоящее время сотрудники Отделения работают над созданием тонкозазорных камер, предназначенных для регистрации мюонов в передней части установки ATLAS.