你覺得有沒有磁單極?尋找磁單極子的最新結果出爐!

2020-12-03 博科園

把一塊磁鐵切成兩半，就會產生兩塊磁鐵，每塊磁鐵都有自己的北極和南極。一個多世紀以來，物理學家們一直對這種明顯不存在孤立磁極或「磁單極子」的現象感到困惑。磁單極子的存在似乎是完全自然的；如果觀察到帶有磁荷的粒子，麥克斯韋方程將反映出電與磁之間的完全對稱性。但謎團依然存在：雖然所有已知粒子都是帶電或中性的，但還沒有發現任何粒子是帶帶磁性的，由保羅·狄拉克正式提出了磁單極子的理論。

這可能是在類似於大型強子對撞機的條件下產生，歐洲核子研究中心阿特拉斯合作組織的科學家們設計了一種專門技術來尋找這種粒子的證據。根據狄拉克的理論，基本磁荷(1gd)的磁單極子電離物質方式與高電荷物體(HECO)相同。與電荷的平方成比例的大量能量沉積將被留在阿特拉斯探測器中，這些粒子就是通過這個探測器運動。因此，對具有這些特性的磁單極子研究與對多次(超過20次)電子電荷穩定粒子的研究密切相關。

（博科園-圖示）觀察到Drell-Yan自旋0(左)和自旋1/2(右)單極子產生隨質量變化的95%置信水平上截面極限。圖片：ATLAS Collaboration/CERN阿特拉斯物理學家從阿特拉斯的跟蹤探測器和量熱計系統收集的數據中挑選出預期具有HECOs或磁單極子特徵的碰撞事件，以便進一步分析。這些候選事件是通過在量熱計中鑑別能量沉積較大和較窄區域以及在過渡輻射跟蹤器中相應的高電離痕跡來識別。阿特拉斯合作發布了在13次TeV質子-質子碰撞中尋找磁單極子和HECOs的第一個結果。既然沒有證據表明磁單極子或觀察HECOs約束建立了自旋為0和自旋-粒子假定Drell-Yan電磁對生產機制。

迄今為止，該研究是對1 ~ 2gd磁荷範圍內磁單極子最敏感的研究，超過了MoEDAL專用實驗的結果，但MoEDAL的探測範圍更大。該研究還改進了先前對直接產生磁荷為1gd磁單極子的限制(見圖)，大約是原來的五倍。此外，這是第一次研究荷電比超過電子荷電60倍的HECOs，從而超過了CMS和ATLAS合作之前研究的範圍。阿特拉斯再次被證明是一個強大的科學研究工具，通過它的通用探測能力，物理學家將能夠繼續尋找像磁單極子這樣的粒子。

博科園｜研究/來自：ATLAS Experiment參考期刊《Physics Today》《arxiv》DOI: 10.1063/PT.3.3328Cite: arXiv:1905.10130博科園｜科學、科技、科研、科普

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    當然，磁單極子將會帶來很多更加奇異的磁電現象。既然Maxwell 的電動力學理論完美兼容磁單極子，為何他不將其納入其中？答案或許因為當時的實驗並沒有給出磁單極子存在的證據。以現在的觀點來看，當時的實驗條件非常簡單。但是即使當下的實驗條件獲得了天翻地覆的提升，Maxwell 將磁單極子排除在方程之外的假設似乎依然成立。
  • 磁單極是個什麼鬼?
    首次發現1932年，著名的英國物理學家狄拉克，從理論上預言磁單極是可以獨立存在的。他認為:"既然電有基本電荷--電子存在，磁也應該有基本磁荷--磁單極子存在。"他的這一預見吸引了不少物理學家用各種方法去尋找磁單極子。人們在各種物質中，如礦物、火山灰、隕石、月球土壤中尋找磁單極子;也在加速器產生的粒子中尋找過磁單極子，用最先進的方法和最精密的儀器，但都一無所獲。
  • 磁單極子,存在或不存在?
    狄拉克：「在科學研究中經常出現的巧合是，當你去尋找一個東西時，你卻發現了一些未曾預料到的東西。這種事情發生在我身上了，使我發現了磁單極子的概念。那時，我並沒有去尋找磁單極子這類東西。」磁單極子在20世紀始終處於物理研究的圈外，不僅僅是因為它們在自然界中沒有被發現。
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    它們就像一對孿生兄弟一樣電能生磁，磁能生電。通過用毛皮摩擦玻璃棒和用絲綢摩擦橡膠棒我們可以很容易的得到單獨存在的帶正電荷和帶負電荷的電子！但是不管我們怎麼玩弄一塊磁鐵永遠都得不到單獨的磁極子。因為磁極子永遠都是成對的以偶極子的形式出現。即使把一塊條形磁鐵無限的一分為二無限分割下去它永遠都只會有兩個極（N極和S極）。並且它們總是同時成對的出現，在越靠近兩極的地方磁場越強！
  • 為什麼我們的宇宙沒有磁單極?
    狄拉克（Dirac）在1931年預言，磁單極是存在的。但是人們普遍認為，如果存在的話，它們應該留下一些蛛絲馬跡。然而，這沒有引起科學家們重視，因為物理學的核心是實驗科學，沒有磁單極的任何證據，很難證明它們的合理性。但這在20世紀70年代開始改變了。人們正在嘗試「大統一理論」，或者正在嘗試我們目前看到的與自然更加對稱的思想。
  • 神秘的磁單極子——大統一理論預言存在的磁單極子為何從未發現?
    當代最成功的物理理論無疑當屬量子力學中的標準模型，儘管這個理論中有19個參數是人為放進去的，並非由理論本身確定，而是依賴於實驗確定，所以難免給人一種因果倒置的感覺。在很多個版本的大統一理論（GUT）中，總是預計會出現一個現象，即在宇宙創世之初會產生大量的「磁單極子」。何謂「磁單極子」？一個「磁單極子」就是一個單一的磁北極或者磁南極。我們知道，在自然界中，磁極總是成對發現的。一塊磁鐵永遠都伴隨著兩個磁極——N極和S極，如果將一塊磁鐵一分為二，你是不可能得到兩個單獨的磁極的。恰恰相反，每個被分開的半塊磁鐵又擁有自己的N極和S極。
  • 磁單極子之謎:為什麼沒有單一磁極的磁鐵
    麥克斯韋方程組是經典的電磁場理論，但是這個理論並不能完美解釋為何我們找不到磁單極子，也不能解釋為何電荷都是以固定值存在的。當科學家將麥克斯韋方程組拓展到包含磁單極子，電荷就只能以固定值存在，這使得經典電磁場理論與量子電動力學得到了統一。而在實驗方面，在實驗室裡構造類磁單極子、通過大型強子對撞機尋找磁單極子、甚至是在浩渺無垠的宇宙裡尋找它的存在，人們一直沒有放棄過對磁單極子的探索。
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    >博科園：本文為量子物理學類在理解被稱為磁單極子肯特大學科學家們將量子物理學和經典物理學結合起來，研究磁性原子如何相互作用，從而形成被稱為「磁單極子」的複合物體。在研究自旋冰材料的基礎上，研究小組展示了如何通過翻轉單個磁性原子的方向，使單極子從自旋冰晶格的一個位置「跳躍」到另一個位置。
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    德國亥姆霍茲聯合會研究中心的研究人員在德國德勒斯登大學、聖安德魯斯大學、拉普拉塔大學及英國牛津大學同事的協作下，首次觀測到了磁單極子的存在，以及這些磁單極子在一種實際材料中出現的過程。
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    一塊磁鐵有N極和S極兩個磁極，把磁鐵從中間劈成兩半，兩塊磁鐵也是每一塊都有各自的N極和S極。即使再進一步劈下去，再小的磁鐵也會N極和S極，不存在只有一個磁極的磁鐵。不劈磁鐵，想製造一塊只有一個磁極的磁鐵也是不可能的。
  • 磁單極子是什麼?為什麼要研究它?
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    來自科隆，慕尼黑和德勒斯登的一組研究人員設法創造了人造磁單極子，為此，科學家們合併了微小的磁旋風，即所謂的skyrmions，在合併時，物理學家能夠創造一個單極子，其特徵與保羅狄拉克在1931年假定的基本粒子相似，除了基礎研究，單極子也可能具有應用潛力，目前，世界上許多團體正在研究磁旋風是否可用於計算機部件生產的問題
  • 磁單極子噪音首次被「聽」到
    據物理學家組織網日前報導，英國牛津大學物理學教授塞穆斯·戴維斯率領一支實驗物理學家團隊，首次研製出一款磁場噪聲波譜儀，讓人類第一次「聽」到了一個磁單極子流產生的磁噪聲。        磁單極子是展現量子化磁荷的基本粒子。
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