Не имея явных экспериментальных подтверждений, гипотеза Дирака около 40 лет рассматривалась как весьма красивая, но чрезмерно экзотическая. Второе дыхание
она получила только в 1974 г., когда советский физик Александр Маркович Поляков (род. в 1945 г.) и нидерландский физик Герард т'Хоофт (род. в 1946 г.)
практически одновременно обнаружили монопольные решения в нелинейном обобщении теории Максвелла, т. е. для полей Янга — Миллса (Калибровочные поля). В отличие
от монополя Дирака монополь т'Хоофта—Полякова обладает конечными размерами, конечными значениями энергии, импульса и т. д. Но самое интересное, что
магнитный заряд монополей т'Хоофта—Полякова имеет нетривиальную топологическую природу, а их масса в 10 000 раз больше массы протона (соответствует массе белковой молекулы).
Ещё массивнее монополи, предсказываемые в моделях Великого объединения — они уже в 1016 раз тяжелее протона, т. е. сравнимы с массой бактериальной
клетки. Понятно, что для порождения таких «Мамонтов микромира» не хватает энергии не только современных ускорителей, но даже и космических лучей самых
высоких энергий. Однако на ранних стадиях эволюции Вселенной, когда
энергии было в избытке, монополи вполне могли образоваться и сохраниться до наших дней. Потому-то и не прекращаются их поиски в околоземном пространстве и ближайшем космосе.
Возможный источник энергии будущего !!!
В 1984 г. один из возможных путей обнаружения монополей получили «на кончике пера» молодой российский теоретик
Валерий Анатольевич Рубаков (род. в 1955 г.) и американец Куртис Каллан (эффект Каллана — Рудакова).
По расчетам выходит, что в присутствии монополя протон мгновенно распадается на позитрон и мезоны. Причём сам монополь остаётся целым и
невредимым (по закону сохранения магнитного заряда) и по-прежнему способен разрушать вещество. Поэтому в веществе след монополя возможно заметить по
цепочке «протонных катастроф». При распаде протонов выделяется огромная энергия, и благодаря протон-моно-польному катализу можно было бы сравнительно легко
справиться с любыми энергетическими проблемами: звездолёты просто собирали бы космическую пыль, а самолёты летали за счёт распада протонов воздуха.
Несимметрия уравнений электродинамики. — Магнитный заряд. — Свойства монополя.
— Поиски монополей на ускорителях. — Рождение монополей космическим излучением. — Поиски монополей в
метеоритах и на Луне. — Использование магнитного поля Земли. — Существует ли монополь?
Поиски монополей на ускорителях
Рассмотрим теперь возможные способы поисков монополя. В первой серии опытов используется ускоритель. Представьте себе, что в линейный
промежуток ускорителя на высокие энергии помещена парамагнитная мишень. Тогда при столкновении ускоренных протонов с нуклонами мишени в принципе может
образоваться пара монополей, которые должны быстро затормозиться в мишени и быть захвачены ею. При длительном облучении мишени в ней можно накопить рожденные
монополи. Затем мишень нужно снять с ускорителя и "вытянуть" из неё монополи сильным магнитным полем в фотоэмульсию, где они должны дать характерные следы.
Схема поиска монополя Дирака на ускорителе
В соответствии с теоретической моделью, монополи Дирака рождаются парами, причем они остаются связанными на все
время своей жизни. Эту связь осуществляет тонкий длинный соленоид — струна Дирака. Струна никак не влияет на физические поля вокруг себя, и только у
вектор-потенциала электромагнитного поля изменяется фаза, благодаря чему её всё-таки можно обнаружить. Например, в экспериментах по рассеянию нейтронов.
Иллюстрация: HZB / D.J.P. Morris & A. Tennant
В другой постановке опыта можно использовать мишень, находящуюся в зоне действия магнитного поля ускорителя. В этом случае монополи,
рождающиеся в мишени, будут вырываться из неё магнитным полем ускорителя и двигаться к полюсам магнитов. Применив фокусирующую магнитную систему, можно
направить монополи в детектор и зарегистрировать их.
Из дальнейших теоретических расчетов следует, что на ускорителях с максимальной энергией протонов 30 ГэВ в принципе могут
образоваться монополи с массой, превышающей нижнюю границу оценки массы монополя. Однако опыты, поставленные в Брукхейвене и
ЦЕРНе, дали отрицательные результаты.
Ещё в 1970 г. советскими физиками во главе с чл.-кор. АН СССР И.И. Гуревичем был поставлен опыт по поиску монополя Дирака на Серпуховском
ускорителе, позволяющем рождать пару частица — античастица с массой до 5mp каждая. В этом опыте использовалась ферромагнитная
ловушка, которая должна захватывать, удерживать и накапливать монополи, если они рождаются в мишени ускорителя. Роль такой ловушки выполняла ферромагнитная
фольга, установленная вблизи мишени ускорителя. Место расположения ферромагнитной ловушки было выбрано с таким расчетом, чтобы монополи, рожденные
в мишени ускорителя, направлялись в ловушку магнитным полем самого ускорителя. После длительного облучения на ускорителе ферромагнитная фольга была помещена в
сильное импульсное магнитное поле, которое должно было вырывать монополи из ловушки и направлять их в расположенную рядом специальную ядерную фотоэмульсию.
Как уже было замечено, следы монополей в такой эмульсии должны быть отчётливо видны.
К сожалению, и в этом опыте монополи не были обнаружены. Однако в результате проведенных исследований удалось существенно (примерно в 100
раз) снизить верхнюю границу вероятности образования монополей в нуклон-нуклонных соударениях и повысить нижнюю границу их массы до 5mp.
Позднее аналогичный опыт был поставлен на ускорителе в ЦЕРНе, в результате чего нижняя граница массы была повышена до 13mp.
Рождение монополей космическим излучением
Идея второй серии опытов заключается в использовании космического излучения, в составе которого имеются настолько быстрые протоны,
что их энергия оказывается достаточной для рождения пар очень тяжелых частиц.
Представьте себе, что в наши руки попал метеорит, который будучи метеором, летал в космическом пространстве миллиарды лет. За это время он
подвергся длительной космической бомбардировке и мог накопить много монополей. Применив методику предыдущего опыта, можно надеяться на то, что из метеорита
удастся вытянуть монополи и зарегистрировать их. Сделанные измерения не оправдали и этих надежд. Оценки полученных результатов показывают, что если
монополь существует, то его масса должна быть больше 5 ГэВ/с². Эта оценка верна при условии, что исследованное метеоритное вещество
действительно облучалось миллиарды лет. Поэтому отрицательный результат может быть также объяснён "молодостью" метеорита.
Поиски монополей в метеоритах и на Луне
Этого недостатка нет у работы, выполненной группой американских физиков во главе с лауреатом Нобелевской премии Альварецем. Авторы
этой работы вместо метеоритов подвергли исследованию материал, привезенный на
космическом корабле «Аполлон-11» с поверхности Луны. Условия образования монополей на Луне и накопления
их лунным веществом можно считать наилучшими. Действительно, Луна существует 3 — 4 млрд. лет, поверхностные слои её мало перемешиваются, на Луне нет атмосферы и магнитного поля.
Монополи могут попадать на Луну в составе первичного космического излучения или возникать на месте в результате взаимодействия
высокоэнергетических космических частиц с атомными ядрами лунного вещества. В обоих случаях монополи будут накапливаться поверхностными слоями лунной почвы
(из-за отсутствия перемешивания и вытягивающего магнитного поля).
Методика поиска монополей в лунном веществе заключалась в следующем. Образцы лунного вещества (28 камней массой по 200 — 300 г каждый, общая масса 8,37 кг)
поочередно протаскивали с помощью специального устройства через замкнутую сверхпроводящую катушку в надежде на то, что монополь, "сидящий"
в лунном камне, наведёт в ней электродвижущую силу. С целью накопления эффекта каждый образец пропускали через катушку по 400 раз, после чего катушку размыкали
для измерения наведенного в ней тока и сравнения его со стандартным током, текущим в катушке без лунных образцов. Расчеты, градуировка и контрольные
измерения показали, что созданная аппаратура должна замечать 1/8 единичного дираковского магнитного заряда и, во всяком случае, вполне надежно обнаруживать
монополь с единичным зарядом. Однако ни в одном из лунных образцов ни "северные", ни "южные" монополи найдены не были. В результате этой работы были
получены еще более низкие значения верхних пределов концентрации монополей в составе космического излучения и вероятности их образования при соударениях
высокоэнергетических космических частиц.
Предположим, что образование монополя произошло в космическом пространстве в пределах околосолнечной области Галактики. Известно, что в этой
области имеется слабое (слабее земного) постоянное магнитное поле. Рожденный монополь будет ускоряться этим полем и по мере движения в нём приобретать всё
большую и большую энергию. Ускорившись, он может попасть в область земной атмосферы, где, с одной стороны, начнёт тратить свою энергию на ионизацию, а с
другой — ускоряться магнитным полем Земли. При определенных условиях монополи будут двигаться по силовым линиям земного магнитного поля в сторону земной
поверхности и накапливаться в магнитных полюсах, районах магнитной аномалии, в местах, где имеются богатые залежи железных руд. В некоторых районах земного
шара такие места находятся на поверхности земли и поэтому легко доступны для изучения. В таких районах были сделаны опыты по "вытягиванию" монополей из
породы при помощи импульсного магнитного поля, создаваемого быстрым разрядом высоковольтной батареи конденсаторов через катушку. Для детектирования монополей
был применен метод ядерной фотоэмульсии. В результате измерений эффекта не было обнаружено.
Существует ли монополь?
Таким образом, вы видите, что пока ни один из поставленных опытов не дал положительных результатов. Значит ли это, что монополь не
существует, что надо прекратить его поиски, что надо вообще перестать заниматься этой проблемой? Отнюдь нет! И вот почему.
Во-первых, все сделанные опыты дают отрицательный ответ не в абсолютной форме, а в относительной, т.е. при выполнении некоторых условий. Одно
условие мы всё время явно подчеркиваем — предполагаемое значение массы монополя. Опыты дают отрицательный ответ на вопрос о существовании сравнительно легких
монополей. Если же монополь достаточно тяжел, то нужны новые опыты. Но кроме этого явного условия есть ещё и неявные. Значение магнитного заряда монополя и
другие его свойства получены в предположении, что наименьший электрический заряд равен e. Ну а если существуют кварки, тогда он равен не e, а e/3,
и все основные свойства монополя резко изменяются. В этом случае нужны новые расчеты и новые опыты.
Во-вторых, независимо от всех опытов имеется косвенное соображение в пользу существования монополя.
На него обратил внимание ещё Дирак, который получил соотношение (1). Это соотношение вытекает из основных
положений квантовой механики и квантовой электродинамики и может быть получено разными способами. Поэтому оно выглядит очень убедительно. Соотношение
(1) можно разрешить относительно электрического заряда:
e =(hc/2µ)n. (2)
Из формулы (2) следует, что если монополь существует, то электрический заряд должен квантоваться, т.е. принимать значения:
e1 =(hc/2µ) (при n=1),
e2 =2(hc/2µ) (при n=2),
e3 =3(hc/2µ) (при n=3) и т.д.
А ведь квантование электрического заряда действительно существует и до сих пор не имеет никакого другого объяснения! Не является ли оно указанием на существование монополя?
В-третьих, кроме теории Дирака могут быть построены другие симметричные теории, в которых для монополя получаются совсем другие свойства,
чем у Дирака. Например, в одной из них минимальный заряд монополя равен не 68,5e, а 17e.
Наконец, в-четвертых, проблемой монополя надо заниматься даже в том случае, если его нет, потому что тогда надо объяснить, почему его нет!
