Nachdem ein internationales Forschungsteam das erste Experiment zur Erforschung magnetischer Monopole mit dem Large Hadron Collider durchgeführt hat, ist die Entdeckung eines schwer nachweisbaren Elementarteilchens nähergerückt als jemals zuvor.
Wissenschaftler der European Organisation for Nuclear Research (CERN) und Physiker des Monopole and Exotics Detector (MoEDAL) von der University of Nottingham nutzten den Large Hadron Collider (LHC), um einen Produktionsmechanismus zu untersuchen, der von Julian Schwinger propagiert wurde. Schwinger war ein US-amerikanischer Physiker und Nobelpreisträger. Ihre Ergebnisse wurden am 3. Februar 2022 im Journal Nature veröffentlicht.
Das Team sucht nach magnetischen Monopolen – hypothetische Elementarteilchen mit nur einem magnetischen Pol, die von verschiedenen Theorien vorhergesagt werden, aber noch nicht nachgewiesen wurden. Die Bestätigung ihrer Existenz wäre bahnbrechend für die Physik und würde belegen, dass es Naturgesetze gibt, die nicht von der aktuell gängigen physikalischen Theorie – dem Standardmodell – berücksichtigt werden. Sie würde die Untersuchung neuer Gesetze auf einzigartige Weise erlauben.
„Diese spezielle Suche nach Monopolen war Pionierarbeit und eröffnete einen neuen, vielversprechenden Weg für weitere Suchprojekte“, sagte Igor Ostrovskiy, MoEDAL-Physiker an der University of Alabama und Co-Autor der Studie. „Unser Projekt war die erste Suche, bei der magnetische Monopole mit endlicher Größe (der von den Theorien vorhergesagte Typ) tatsächlich nachweisbar wären. Und auch wenn wir keine fanden, konnten wir der Masse der Monopole die ersten zuverlässigen Grenzen setzen.“
Das Team suchte nach der Entstehung magnetischer Monopole in den Schwerionenkollisionen am weltgrößten und leistungsfähigsten Teilchenbeschleuniger. Die Kollisionen erzeugten starke Magnetfelder – viel stärker als jene von schnell rotierenden Neutronensternen – und solche Magnetfelder könnten die spontane Entstehung magnetischer Monopole durch den Schwinger-Mechanismus auslösen.
„Ein großer Vorteil des Schwinger-Mechanismus liegt darin, dass wir die Rate zuverlässiger berechnen können als bei jedem anderen Entstehungsprozess, der bislang am LHC untersucht wurde“, sagte Oliver Gould von der University of Nottingham, der theoretische Berechnungen für diese Suche durchführte. „Das gibt uns einen guten Eindruck davon, wie viele Monopole durch das Experiment als Funktion ihrer Masse und ihrer magnetischen Ladung beobachtet werden sollten. Und weil keine registriert wurden, können wir verlässlich sagen, dass magnetische Monopole schwerer als ein bestimmter Wert sein müssen.“
Um magnetische Monopole nachzuweisen, nutzten die MoEDAL-Forscher ein supraleitendes Magnetometer und scannten die für die LHC-Schwerionenkollisionen freiliegenden Detektormodule nach Signaturen von gefangenen magnetischen Ladungen. Mit keinerlei Anzeichen für das Signal konnten die Wissenschaftler für magnetische Ladungen zwischen 1 und 3 magnetischen Elementarladungen die Existenz von Monopolen leichter als 75 GeV/c² ausschließen (wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist).
„Die Suche nach magnetischen Monopolen hat eine lange Geschichte und ist mit vielen theoretischen Vorhersagen der Teilchenphysik verbunden. Trotzdem ist dies das erste Experiment, das uns ermöglichte, den Eigenschaften aller potenziellen magnetischen Monopole explizite Grenzen aufzuerlegen. Das stützte sich auf die enge Zusammenarbeit zwischen Theoretikern und Experimentalphysikern“, sagte Oliver Gould.
MoEDAL plant in Zukunft mehr Daten zu sammeln und seine Empfindlichkeit für schwerere Monopole mit größerer magnetischer Ladung zu erhöhen.
(THK)
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