In „The Big Bang Theory“ begab sich Sheldon im Rahmen seiner Forschungen zur Stringtheorie mit seinen drei Freunden zum magnetischen Nordpol auf der Suche nach magnetischen Monopolen. Sheldon glaubte einst, die Existenz magnetischer Monopole bewiesen zu haben und glaubte, dafür einen Nobelpreis zu gewinnen.
Bildnachweis: Standbilder aus The Big Bang Theory.
Obwohl sich Sheldons magnetischer Monopol als Oolong herausstellte, gibt es in der Wissenschaftsgemeinde tatsächlich unzählige Wissenschaftler, die diesem magischen hypothetischen Teilchen nachspüren. Mehrere physikalische Theorien haben die Existenz dieses einzigartigen Teilchens vorhergesagt, doch es ist bisher nicht aufgetaucht.
Magnetischer Monopol
Magnete sind in unserem Leben allgegenwärtig. Ob am Kühlschrank, im Smartphone oder auf der Kreditkarte – alle Magnete haben eines gemeinsam: Sie müssen einen Südpol und einen Nordpol haben.
Selbst wenn man einen Magneten in zwei Hälften schneidet, egal wie oft und wie klein man ihn zerteilt, erhält man immer nur einen neuen Magneten mit eigenem Nord- und Südpol. Dieses Phänomen spiegelt sich in den Maxwell-Gleichungen wider, die zeigen, dass es im Universum isolierte positive und negative Ladungen gibt, aber keine isolierten magnetischen Ladungen.
Die Entwicklung der Quantenmechanik im letzten Jahrhundert schlug ein neues Kapitel in dieser Geschichte auf. 1931 sagte Dirac voraus, dass es im Universum ein solches hypothetisches Elementarteilchen mit nur einem einzigen magnetischen Pol geben sollte, das wir oft als magnetischen Monopol bezeichnen. Alle bekannten Magnete haben einen Südpol und einen Nordpol. Magnetische Monopole hingegen haben nur einen Pol.
Viele (wahrscheinlich die meisten) Physiker glauben an die Existenz magnetischer Monopole. Physiker wissen bereits, dass Elektrizität und Magnetismus im Wesentlichen eine Kraft darstellen. Wenn positive und negative Ladungen allein existieren können, wie Elektronen mit ausschließlich negativen Ladungen, dann sollten auch Teilchen mit nur einem magnetischen Pol existieren.
Theoretisch müssten magnetische Monopole im frühen Universum entstanden sein und stabil sein. Daher müsste es einen Reliktfluss magnetischer Monopole aus der Zeit des Urknalls geben, der noch immer den gesamten Raum durchdringt. Der Knackpunkt ist jedoch, dass sie bis heute nicht entdeckt wurden.
Finde im Eis und Schnee
Bei der Suche nach magnetischen Monopolen könnte uns ein riesiger Neutrinodetektor am Südpol helfen.
Das IceCube Neutrino-Observatorium ist ein ungewöhnliches Teleskop. Es besteht aus mehr als 5.000 Lichtsensoren, die in einem Kubikkilometer Eis in der Antarktis vergraben sind. Ursprünglich diente es der Erforschung von Neutrinos, einem leichten Elementarteilchen, das das Universum durchdringt.
Bild: IceCube-Observatorium, Antarktis. | Bildnachweis: IceCube Neutrino
Neutrinos sind schwer fassbar und die einzige Möglichkeit, sie zu untersuchen, besteht fast darin, die Produkte ihrer seltenen Wechselwirkungen mit Materie zu analysieren. Das ist ungefähr so, als würde man Tiere anhand ihrer Fußspuren im Schnee untersuchen.
Wenn ein Neutrino mit einem Atom in der Eisschicht kollidiert, die IceCube umgibt, könnte es ein geladenes Teilchen, ein sogenanntes Myon, erzeugen. Bewegt sich ein Myon schnell genug durch das Eis, erzeugt es auf seinem Weg einen Kegel blauer Strahlung, das sogenannte Tscherenkow-Licht. Diese Lichtenergie durchdringt das Eis und aktiviert dabei die Sensoren von IceCube, die den Wissenschaftlern Energie und Richtung des Teilchens mitteilen.
Interessanterweise würden nicht nur Neutrinos, sondern auch magnetische Monopole, sofern sie existieren, Tscherenkow-Licht emittieren, wenn sie den IceCube-Detektor mit nahezu Lichtgeschwindigkeit passieren. Doch eines zeichnet sie aus: Sie sind unglaublich hell. Magnetische Monopole emittieren etwa 8.000-mal mehr Tscherenkow-Licht als Myonen, und die Emission dieses Lichts ist gleichmäßig entlang ihrer Flugbahn verteilt. Dies führt zu einem einzigartigen und unverwechselbaren Muster von Strukturen in IceCube.
Magnetische Monopole, durchdringende Myonen, Schauerteilchen, dunkle Myonen
Magnetische Monopole sollten im Südpol-IceCube deutlich sichtbare Spuren hinterlassen. Blau stellt den IceCube-Detektor dar, die gepunktete Linie die Flugbahn des Teilchens. Die farbigen Bereiche um die Flugbahnen repräsentieren die von verschiedenen Teilchenarten emittierten Tscherenkow-Lichtmuster. Die Farben von Rot bis Grün zeigen an, wann das Licht vom ersten bis zum letzten Mal erzeugt wird. | Bildnachweis: Alexander Burgman, IceCube-Kollaboration
Deshalb suchten die IceCube-Wissenschaftler in acht Jahren IceCube-Daten nach Anzeichen magnetischer Monopole. Sie filterten zunächst außergewöhnlich helle Ereignisse heraus und suchten nach gleichmäßiger Emission entlang der Bahn. Da magnetische Monopole den Detektor vollständig durchdringen können, mussten sie diese nicht durchdringenden Bahnen ausschließen. Anschließend trainierten die Forscher ein maschinell lernendes Ereignisbeschreibungstool (Boosted Decision Tree), um in den Proben magnetische Monopolereignisse von Myonenereignissen zu unterscheiden.
Das Team veröffentlichte kürzlich die Ergebnisse dieser Suche. Leider ist es den Wissenschaftlern nicht gelungen, Anzeichen kosmischer magnetischer Monopole zu finden.
Blick in den Collider
Neben der Erfassung magnetischer Monopole im Universum arbeiten Wissenschaftler auch daran, solche Teilchen im Labor zu „erzeugen“.
Eine neue Klasse von Experimenten am LHC (Large Hadron Collider), dem die Entdeckung des Higgs-Bosons zugeschrieben wird, hat Bedingungen geschaffen, die die Entstehung magnetischer Monopole wahrscheinlicher machen, sodass Forscher die möglichen Eigenschaften des Teilchens verfeinern können.
Der LHC zerschmettert üblicherweise Protonen bei extrem hohen Energien. Doch 2018 zerschmetterte der LHC ein anderes Teilchen, ein Schwerion, genauer gesagt einen Bleikern. Diese Teilchen bestehen aus Hunderten von Protonen und Neutronen und können aufgrund ihrer Schwerkraft nur bei niedrigeren Energien kollidieren als Einzelprotonenkollisionen.
Sollten diese Bleikerne jedoch zufällig schräg oder sehr nahe aneinander vorbeifliegen, könnte ihre Wechselwirkung etwas Spektakuläres erzeugen: eines der stärksten bekannten Magnetfelder im Universum, stärker als die von Neutronensternen. Das Magnetfeld ist millionenfach stärker. Diese Magnetfelder halten zwar nur sehr kurz an, doch ihre Präsenz ermöglicht einen anderen Mechanismus zur Entstehung magnetischer Monopole.
Versuche, magnetische Monopole durch die Kollision schwerer Ionen zu erzeugen. | Bildnachweis: James Pinfold, MoEDAL-Zusammenarbeit
Die Theorie folgt einem Mechanismus, der eine „elektrische Version“ eines Monopols erzeugt. Der Schwinger-Mechanismus, der in den 1930er Jahren vorgeschlagen wurde, ging davon aus, dass ein starkes elektrisches Feld mit Quantenfluktuationen im Vakuum interagiert und so positive und negative „elektrische Monopole“ (Elektronen und Positronen) erzeugt. Ähnlich spekulieren Wissenschaftler, dass ein starkes Magnetfeld magnetische Nord- und Süd-Monopole erzeugen sollte.
Anders als bei Protonenkollisionen, bei denen Teilchen durch einen einzigen heftigen Stoß entstehen, entstehen beim Schwinger-Mechanismus Teilchen aus einer Vielzahl kleiner Wechselwirkungen. Forscher können diese Effekte theoretisch beschreiben.
Wichtig ist, dass die Forscher dadurch vorhersagen konnten, wie viele Monopole der Mechanismus erzeugen würde. Diese Vorhersage hängt vom Gewicht des magnetischen Monopols ab. Einfach ausgedrückt: Sind sie zu schwer, verfügt der Bleikern des LHC nicht über genügend Energie, um sie zu erzeugen.
Dies stellten die Forscher bei einem Experiment im Jahr 2018 fest, als es ihnen nicht gelang, einen magnetischen Monopol zu erzeugen.
Für die Wissenschaft haben selbst negative Ergebnisse positive Auswirkungen. Sie ermöglichen es uns, das Wesen der Natur zu erforschen. Diese Experimente zeigen auch, dass magnetische Monopole, falls sie existieren, einen bestimmten Grenzwert (75 GeV/c²) überschreiten müssen. Die neuen Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.
Fehlendes Geheimnis
Das Rätsel um das Verschwinden des Monopols ist noch immer ungelöst, doch viele Physiker glauben, dass dies nicht bedeutet, dass es nicht existiert. In unserem aktuellen Lieblingsmodell des frühen Universums ist ein magnetischer Monopol ein „Bonus“-Teilchen.
Wenn sich herausstellt, dass sie tatsächlich nicht existieren, müssen wir die grundlegendsten Annahmen unseres aktuellen Weltmodells überdenken.