En The Big Bang Theory, para su investigación sobre la teoría de cuerdas, Sheldon y sus tres amigos fueron al polo norte magnético en busca de monopolos magnéticos. Sheldon creyó haber demostrado la existencia de monopolos magnéticos y creía que ganaría un Premio Nobel por ello.
Crédito de la imagen: Imágenes de The Big Bang Theory.
Aunque el monopolo magnético de Sheldon resultó ser un oolong, innumerables científicos en la comunidad científica investigan esta hipotética partícula mágica. Varias teorías físicas han predicho la existencia de esta partícula única, pero aún no ha surgido.
monopolo magnético
Los imanes están por todas partes en nuestras vidas. Ya sea en tu refrigerador, en tu teléfono inteligente o en tu tarjeta de crédito, todos tienen algo en común: deben tener un polo sur y un polo norte.
Incluso si se corta un imán en dos, por muchas veces que se repita y por muy pequeño que sea, solo se obtiene un nuevo imán con sus propios polos norte y sur. Este fenómeno se refleja en las ecuaciones de Maxwell, que muestran que existen cargas positivas y negativas aisladas en el universo, pero no cargas magnéticas aisladas.
El desarrollo de la mecánica cuántica durante el último siglo abrió un nuevo capítulo en la historia. En 1931, Dirac predijo que debería existir una partícula elemental hipotética con un solo polo magnético en el universo, lo que solemos llamar monopolo magnético. Todos los imanes que hemos visto tienen un polo sur y un polo norte. Pero los monopolos magnéticos solo tienen un polo.
Muchos físicos (probablemente la mayoría) creen en la existencia de monopolos magnéticos. Los físicos ya saben que la electricidad y el magnetismo son esencialmente una sola fuerza, y si las cargas positivas y negativas pueden existir individualmente, como los electrones con solo cargas negativas, entonces deberían existir partículas con un solo polo magnético.
En teoría, los monopolos magnéticos deberían haber surgido en el universo primitivo y son estables, por lo que debería existir un flujo residual de monopolos magnéticos del Big Bang, que aún permea todo el espacio. Pero el quid de la cuestión es que, hasta la fecha, nunca se han detectado.
Encuentra en el hielo y la nieve
En la búsqueda de monopolos magnéticos, un detector de neutrinos gigante en el Polo Sur podría ayudarnos.
El Observatorio de Neutrinos IceCube es un telescopio peculiar. Con más de 5000 sensores de luz enterrados en un kilómetro cúbico de hielo en la Antártida, su objetivo original era estudiar los neutrinos, una partícula fundamental y ligera que impregna el universo.
Imagen: Observatorio IceCube, Antártida. | Crédito de la imagen: IceCube Neutrino
Los neutrinos son esquivos, y casi la única forma de estudiarlos es analizando los productos de sus raras interacciones con la materia, lo que es como estudiar animales basándose en sus huellas en la nieve.
Si un neutrino colisionara con un átomo en la capa de hielo que rodea a IceCube, podría producir una partícula cargada llamada muón. Cuando un muón viaja a la velocidad suficiente a través del hielo, produce un cono de radiación azul, conocido como luz Cherenkov, a lo largo de su trayectoria. Esta energía luminosa viaja a través del hielo y, en su camino, activa los sensores de IceCube, que indican a los científicos la energía y la dirección de la partícula.
Curiosamente, no solo los neutrinos, sino también los monopolos magnéticos, si existen, emitirían luz Cherenkov al pasar por el detector IceCube a casi la velocidad de la luz. Pero hay algo que los distingue: son increíblemente brillantes. Los monopolos magnéticos emiten unas 8.000 veces más luz Cherenkov que los muones, y la emisión de esta luz se distribuye uniformemente a lo largo de su trayectoria. Esto da lugar a un patrón único y distintivo de características en IceCube.
Monopolos magnéticos, muones penetrantes, partículas de lluvia, muones oscuros
Los monopolos magnéticos deberían dejar un rastro muy visible en el IceCube del Polo Sur. El azul representa el detector del IceCube y la línea punteada la trayectoria de la partícula. Las áreas coloreadas alrededor de las trayectorias representan los patrones de luz Cherenkov emitidos por diferentes tipos de partículas. Los colores del rojo al verde indican cuándo se genera la luz, desde la primera hasta la última. | Crédito de la imagen: Alexander Burgman, Colaboración IceCube
Por eso, los científicos de IceCube decidieron buscar indicios de monopolos magnéticos en ocho años de datos de IceCube. Primero, filtraron los eventos excepcionalmente brillantes y buscaron una emisión uniforme a lo largo de la trayectoria. Dado que los monopolos magnéticos pueden penetrar completamente el detector, tuvieron que excluir las trayectorias no penetrantes. A continuación, los investigadores entrenaron una herramienta de descripción de eventos de aprendizaje automático (árbol de decisión mejorado) para distinguir los eventos de monopolos magnéticos de los eventos de muones en las muestras.
Recientemente, el equipo publicó los resultados de esta búsqueda. Desafortunadamente, los científicos no han podido encontrar ninguna señal de monopolos magnéticos cósmicos.
Mira en el colisionador
Además de capturar monopolos magnéticos en el universo, los científicos también están trabajando para “crear” dichas partículas en el laboratorio.
Una nueva clase de experimentos en el LHC (Gran Colisionador de Hadrones), al que se atribuye el descubrimiento del bosón de Higgs, ha creado condiciones que tienen más probabilidades de producir monopolos magnéticos, permitiendo a los investigadores refinar las posibles propiedades del niño.
El LHC suele colisionar protones a energías extremadamente altas. Pero en 2018, el LHC destrozó una partícula diferente: un ion pesado, concretamente un núcleo de plomo. Estas partículas contienen cientos de protones y neutrones, y su naturaleza pesada implica que solo pueden colisionar a energías más bajas que las colisiones de un solo protón.
Sin embargo, si estos núcleos de plomo se inclinaran accidentalmente o pasaran muy cerca, su interacción podría producir algo espectacular: uno de los campos magnéticos más intensos conocidos en el universo, más intenso que el de las estrellas de neutrones. El campo magnético es un millón de veces más intenso. Estos campos magnéticos duran muy poco tiempo, pero su presencia proporciona un mecanismo diferente para la creación de monopolos magnéticos.
Intentos de crear monopolos magnéticos mediante la colisión de iones pesados. | Crédito de la imagen: James Pinfold, Colaboración MoEDAL
La teoría se basa en un mecanismo que produce una "versión eléctrica" de un monopolo. El mecanismo de Schwinger, propuesto en la década de 1930, creía que un campo eléctrico intenso interactuaría con fluctuaciones cuánticas en el vacío, creando "monopolos eléctricos" positivos y negativos (electrones y positrones). De igual manera, los científicos especulan que un campo magnético intenso debería atraer monopolos magnéticos norte y sur.
A diferencia de las colisiones de protones, donde las partículas surgen de una sola colisión violenta, en el mecanismo de Schwinger, las partículas surgen de un gran número de pequeñas interacciones. Los investigadores pueden describir teóricamente estos efectos.
Es importante destacar que esto permitió a los investigadores predecir cuántos monopolos produciría el mecanismo. Esta predicción depende del peso del monopolo magnético. En pocas palabras, si son demasiado pesados, el núcleo de plomo del LHC no tiene suficiente energía para generarlos.
Los investigadores descubrieron que este era el caso en un experimento de 2018, cuando no lograron crear un monopolo magnético.
Para la ciencia, incluso los resultados negativos tienen implicaciones positivas. Nos permiten explorar la esencia de la naturaleza. Estos experimentos también demuestran que, si existen monopolos magnéticos, su peso debe superar cierto límite (75 GeV/c²). Los nuevos resultados se publicaron recientemente en la revista Nature.
Misterio perdido
El misterio de la desaparición del monopolo sigue sin resolverse, pero muchos físicos aún creen que esto no significa que no exista. En nuestro modelo actual "favorito" del universo primitivo, un monopolo magnético es una partícula "adicional".
Si resulta que realmente no existen, tendremos que repensar los supuestos más básicos de nuestro modelo actual del mundo.