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皇冠体育 : 科学家们在寻找一个看似矛盾的现象:只有一个磁极的

日期:2018-11-20 19:58   作者:admin   点击:

皇冠体育  作为一个孩子,James Pinfold崇拜磁铁。他回忆说,惊叹于无形的力量把金属物体撞在一起,或者把它们分开。出于好奇,他曾锯过一块磁铁一半,试图把它的南北两极分开。像其他任何人一样,PfFod只是用一对较小的两个极化磁铁来结束。艾伯塔大学的物理学家平福尔德说:“我想,这太神奇了。”“为什么没有独立的极点呢?“

 
这是一个他从来没有停止过的问题。平福尔德现在是一个寻找单磁荷-没有南北的理论粒子实验的领导者,反之亦然。所谓的磁单极子,他们似乎完全有可能,甚至是不可避免的,在许多理论物理学家提出的统一性质的根本力量。
 
然而,几十年来,令人讨厌的粒子躲避了科学的掌握。研究人员已经研究了天空、海水和冰。他们选择了从北极和南极洲岩石,陨石和月球尘埃搜索,寻找他们的踪迹在矿石距今近十亿年。在科学史上,可以说,没有什么比磁单极更能搜索空间和时间。而且,什么也没有。
 
但是物理学家们并没有打算认输。平福尔德的实验,在40亿美元的大型Hadron Collider(LHC),是通过筛选的亚原子碎片为单极的签名,和科学家也保持他们的眼睛去皮宇宙磁单极子从太空坠落。甚至有一个机会,我们已经发现了该死的东西。
 
何必大惊小怪呢?磁单极也许有助于打破粒子物理学中当前的僵局。一个框架,称为标准模型,建立了几十年的时间,描述了三个在量子力学的精确语言的性质和随之而来的粒子的四种基本力。它是所有科学中最成功的理论之一,但仍然毫无希望。例如,它不能适应重力的作用。它也不能解释暗物质的黑洞,它是一种神秘物质,超过5到1的物质。
 
磁单极是一种全新的粒子,可以显示出前进的方向。“单极将使我们远远超出目前的标准模型,”平福尔德说。磁单极子可以揭示如何结合三标准”活动,让科学家更进一步走向一个所谓的理论的东西,把所有的物理在一个屋檐下。人类最终可以理解宇宙行为的整体性。
 
但首先是狩猎。
 
持久的问题
 
难以捉摸的磁单极子的困境可以追溯到150多年前。在19世纪60年代,苏格兰数学物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦发明了方程中加入在髋关节的磁和电的现象。它们都是相同的基本力量的表达,恰好称为电磁学。
在他的方程中,麦斯威尔包含了已知的正负电荷。这些相反的电荷容易分开:搓气球在你的头发上让它站起来获得额外的静电荷,你做到了。但由于磁似乎总是表现为twofers那些连体南北两极称为偶极子-他不包括个人的磁荷理论。
 
麦斯威尔的模式有很好的工作没有磁荷;他的见解可能最现代的技术,从发电到无线通信计算机。
 
然而,二十世纪的理论发展正好为垄断企业提供了条件。1931、英国理论物理学家保罗·狄拉克发现,量子力学允许这样的粒子,而到上世纪70年代,磁单极子的出现作为一个大统一理论的后果。
 
这个框架的新婚夫妇三自然的基本力量强、弱和电磁-到一个单一的实体。但是这种统一只有在宇宙诞生、宇宙大爆炸的剧烈热的能量展开中才是可能的。另外,弦理论,提出的力和粒子都来自于微小的弦的振动的单位,给磁单极子另一个大拇指。
 
所有的间接证明磁单极子,一个在世界上最重要的弦理论家,Joseph Polchinski加利福尼亚大学,圣巴巴拉,2002,说他们的存在是“一个可以使物理没见过的最保险的赌注之一。”20年后,在他2018年2月逝世之前,他仍然坚持这一说法。他说:“每当你进入一个完全统一的物理学理论时,你总会发现磁单极子会出现。”

单极子的基本轮廓将它们描述为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,这些粒子构成了我们周围的物质。
 
单极也会表现得很亲密:相同的电荷会互相排斥,而相反的电荷会吸引。颗粒可能具有相当大的质量。科学家们相信他们会以可预测的方式和最终可察觉的方式与日常事物互动。
 
理论物理学家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。”“我们真的知道他们的行为会是怎样的。”
 
也许是单极?
 
虽然物理学家们在努力寻找磁单极子,几十年的研究结果表明,我们可能已经偶然发现了它们。
 
1982年2月14日,斯坦福大学的研究人员在超导回路上探测到了一种特征电流,这种电流仅仅来自磁单极。三年后,在伦敦帝国理工学院,又一股无法解释的潮流突然出现,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,物理学家詹姆斯·平福尔认为,如果是这样的话,肯定还有其他的虚假的,并且可能可以解释的,那么这些年就会发生探测了。他说:“确实存在一个非常难模拟单极子信号的问题。”
 
甚至早在1973年,由伯克利领导的加利福尼亚大学的一个研究小组就发射了一个装有一堆探测器的气球,包括LHC的MoEDAL探测器使用的塑料板。在爱荷华州苏城附近,一些重而令人着迷的单极型物质迅速穿过机载探测器,尽管它更像是宇宙射线一样从深空呼啸而来的重元素的核心。再一次,缺乏安可让科学家们感到沮丧,但也很好奇。
 
莫德尔探测器
 
Rajantie的名字Arttu的发音很像《星球大战》中的角色R2-D2;伦敦帝国理工学院的办公室电脑上放着一个可爱的蹲式机器人的玩具。从那里,Rajantie偶尔会去瑞士日内瓦的LHC,他是Pinfold项目的一部分,热衷于磁单极的追踪。这次合作被称为“MoEDAL”(发音像“勋章”,是LHC单极和异国情调探测器的奖章),聚集了来自四大洲的70多人。MoEDAL仪器在2015年开始收集数据,并将继续进行LHC目前的运行,截至今年12月,并可能持续到2020年到2022年。
大型强子对撞机的访问者可能不会在默多尔看两次,它就像一套银金属储物柜。莫迪尔与一个被称为LHCB的大预算房子大小的实验共享一个地下洞窟。这个项目探测“美丽”夸克,即短命粒子,它们从质子双束正好在光速的一撮胡须内迎面碰撞中喷出。这些光束通过两条管道射出,这些管道长度约为环形LHC的17英里,质子烟火技术就在MoEDAL的洞穴内进行。
 
莫代尔的类探测器环绕着那个碰撞点,等待任何可能会发生冲突的磁单极子。这种颗粒会犁过MoEDAL隔间里的塑料薄板,留下永久的超薄破坏痕迹。“MoEDAL就像一个巨型照相机,”Pinfold说,塑料片“就像它的胶卷。”如果他的团队在胶卷上发现了一组排列成直线的小洞,指向LHC的质子碰撞,Pinfold和团队将伸手去拿香槟。
 
他说:“莫代尔只检测到新的物理学。”“在我们的塑料中,没有已知的标准模型粒子能做到这一点。”因此,探测器不仅仅要探测到单极子,还要探测到粒子野兽的丛林。平福尔德说:“仅仅一个检测事件就足以证明已经发生了一些奇妙的事情。”

MoEDAL中的第二种探测器,由铝制成,通过诱捕反叛粒子,在单极追捕中会做得更好。“如果一个磁单极通过铝,它会减速并被困,”Rajantie说。研究人员可以通过将铝通过超导回路(一种能接收弱磁场的装置)来获知它的存在。普通的偶极磁铁在环路中产生两个电流,有效地相互抵消;然而,单极将触发持续的电流。“没有办法伪造被困单极子的信号,”平福尔德说。
 
他们的单极陷阱就这样成立了,现在所有的研究人员所要做的就是观察和等待,手指交叉。
 
全自然单极
 
在世界的另一边,科学家们采取了不同的方法。这些物理学家们正在寻找自然的、宇宙的单极,这些单极最初是在大爆炸的熔炉中锻造的,然后从太空坠落到地球,而不是猎取由人造粒子碰撞产生的人造单极。这些单极的尺寸范围很广,从超重到轻型,它们以完全不同的速度运动,由磁场带动的速度最快,以接近光速运动。
 
舰队脚踏单极是彼埃尔俄歇天文台的目标。在阿根廷西部安第斯山脉下面的平原上伸展,俄歇主要发现宇宙射线,穿过宇宙的令人难以置信的高能粒子。进入我们的领空后,宇宙射线首先消灭了地球大气层中的一些不幸分子。碰撞后的碎片随后引发了一连串的连锁反应,数十亿粒子被称为空气簇射,向地面喷发并发射出特有的紫外光。
 
幸运的是,俄歇的紫外调谐望远镜也能探测到下降的宇宙单极子。这种差异很容易发现:宇宙射线在紫外线能量的早期达到峰值,然后随着空气簇射的消逝而减弱。一个更硬的单极子会在下降时不断地消耗能量。
 
“一切都基于单极与探测器中的物质相互作用的事实,”芝加哥大学天体物理学家Paolo Privitera和俄歇的主要研究员说。在MoEDAL的情况下,探测器是塑料和铝。“在我们的情况下,”他说,“是空气、大气。”
 
到目前为止,在俄歇上空没有发现任何单极。但是,利用天文台的主要宇宙射线探测器,捕捉它们的几率应该大大提高:一群近1700个充满水的水箱散布在1200平方英里的地方,只是比罗德岛州小一点点。宇宙射线的空气簇射中的高能粒子比光更快地穿过水。(光只在空间真空中以不可阻挡的最高速度移动。)当它们这样做时,粒子发出可探测的光闪烁,称为切伦科夫辐射,类似于光学声爆。单极粒子淋浴器也应该产生效果,使水箱同样有效的工具来发现它们。俄歇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,位于南极的冰立方中微子天文台,既不使用空气也不使用液态水,而是使用冰作为它的单极拖网。该项目的科学家们已经将数十根布满数千个传感器的电缆沉入了南极冰原的四分之一英里的立方体中。传感器的主要任务是暴露被称为中微子的幽灵粒子,它与冰分子相互作用,产生快速移动的电荷粒子,也产生切伦科夫光。
 
快速移动的单极同样泵出光,相对大的,慢速的单极也泵出光,但原因不同。这些单极子产生于大爆炸早期的大统一时代,当时三个基本力合为一体,它们将具有极端能量密度的痕迹,标准模型粒子和力之间的差异将消失。“当所有的力都相等时,大统一单极子在其微小的心脏中含有一点大爆炸,”Pinfold说。当冰中的质子暴露于单极子的这个核心时,其中基本粒子的差异消失,质子衰变,其组成夸克转变为其他粒子类型,包括正电子,它可以产生可探测的切伦科夫光。
 
截至2015年,当他们发布关于这个话题的最新主要报告时,研究人员根据两年来的数据还没有发现冰立方有任何单极。但耐心等待也会有回报。

磁性未来
 
如果磁单极在地球附近出现,或者粒子碰撞的碎屑,我们就会知道。如果有人,某个地方,确实设法毫不含糊地打小一个小流氓,那么真正的乐趣就开始了。纠缠单极是很容易的,只是通过施加普通电磁场来将粒子弯曲成我们的意志。单极可能以磁性而非电流形式流动,从而为“磁电子”技术铺平道路,包括“磁力”,也许在超小型数据存储或完全重新想象的计算机体系结构中。
至于科学实验,用一种新的粒子,可以最终实现那些大统一理论,甚至一切理论。进入物理学的新领域很可能需要彻底打破垄断的头脑。“如果我们能找到它们,”Rajantie说,“最终,我们粒子物理学家想要做的就是拥有一个碰撞器,在那里,我们将单极子与其他物体碰撞,并观察结果如何。”谁知道,也许LHC可以让位给LMC——一个大单极子碰撞器。
 
最后,Pinfold和那些像他一样想知道为什么磁铁不能接合到孤立的北极或南极的人会有一个答案。
 
平福尔德说:“磁单极子就像一根金线一样,贯穿着现代宇宙理论的发展。”“如果我们确实看到了什么,那将是一件非常重要的事情。”

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