Частицу, которую физики искали 80 лет, создали искусственно
В 1930-х годах знаменитый теоретик Поль Дирак предсказал существование в природе уникальных частиц, обладающих всего одним магнитным полюсом — магнитных монополей. С тех пор учёные всего мира пытались обнаружить эти частицы в природе. Однако до сих пор поиски не имели положительных результатов.
Теперь команда физиков из Амхерстского колледжа и университета Аалто в Финляндии сообщили о том, что магнитные монополи удалось получить в лабораторных условиях.
"Создание синтетических магнитных монополей предоставляет нам беспрецедентную возможность узнать больше о природе естественных монополей, если они, конечно же, существуют", — говорит соавтор исследования Дэвид Холл (David Hall).
Всем со школьных уроков физики известно, что у любого даже самого маленького магнита два полюса — северный и южный. Сколько бы мы не делили магнитный материал, всё равно он будет обладать двумя полюсами. Монополи, как следует из их названия, обладают всего одним полюсом, северным или южным.
Дирак изучал эти гипотетические частицы с точки зрения квантовой механики, однако доказательств существования естественных монополей найдено не было. Поиски проводились и при анализе лунного грунта, и при изучении древних окаменелых ископаемых.
Команда Холла решила прибегнуть к другому подходу и создать частицы в лаборатории. Для этого физики создали искусственное магнитное поле, генерируемое конденсатом Бозе-Эйнштейна — холодным газом из атомов рубидия, температура которого близка к абсолютному нулю. В этом случае атомы перестают вести себя как отдельные частицы и проявляют коллективное квантовое поведение.
В своём эксперименте Холл опирался на теоретическую работу профессора Микко Мёттёнена (Mikko Möttönen), описавшего конкретную последовательность изменений внешних магнитных полей, которая должна привести к появлению монополей.
В результате эксперимента учёные получили доказательства существования синтетических монополей в виде снимков облака атомов: монополи проявились на концах микроскопических квантовых вихрей в ультрахолодном газе. Холл признался в пресс-релизе, что получение этих снимков стало самым захватывающим моментом в его карьере.
По сути, учёные создали единичный северный полюс, однако он по своей природе не магнитный и компас в его сторону указывать не будет. "Уравнения, которые применимы к нашему синтетическому монополю и к природным магнитным монополям, совершенно одинаковые", — поясняет Холл. В данном случае одна квантовая система моделирует физикам другую, изучить которую гораздо сложнее.
"Наш метод генерации синтетического магнитного поля развивается очень быстро и в конечном итоге может привести к открытию высокотемпературных сверхпроводников или ранее невиданных физических явлений", — говорит учёный. Статья с результатами исследования вышла в журнале Nature.
Отметим, что прежние теоретические модели подразумевали широкую распространённость этих частиц в природе. Однако открытие расширения Вселенной показало, что магнитные монополи должны быть довольно редким явлением.
Физики и ранее пытались создать аналоги магнитных монополей в спиновом льде и в сверхтекучем гелии. Однако столь прямых доказательств их существования они не получили, либо их структура была не так близка к магнитным монополям, предсказанным Дираком.
Холл добавляет, что сегодня "охота" на дираковские монополи не заканчивается. Он также выражает надежду, что его открытие вдохновит сотрудников ЦЕРНа на проведение эксперимента в Большом адронном коллайдере. И тогда, кто знает, возможно, удастся обнаружить и естественные монополи или, по крайней мере, понять, где во Вселенной их следует искать.
Также по теме:
Физики впервые поймали неизвестную субатомную частицу из четырёх кварков
Ученые обнаружили ранее неизвестную науке частицу
Физики разгадали многолетнюю загадку о поведении электронов
Физики научились завязывать воду в узлы
Бозон Хиггса восстанавливали, как древнюю вазу по осколкам
Узелок на память: физики научились записывать информацию в магнитные узлы