ビッグバン・セオリーでは、弦理論の研究のため、シェルドンと3人の友人は磁気単極子を探しに北磁極へ向かいました。シェルドンはかつて磁気単極子の存在を証明したと考え、その功績でノーベル賞を受賞できると信じていました。
画像クレジット: ビッグバン・セオリーの静止画。
シェルドンの磁気単極子はウーロン茶であることが判明しましたが、科学界にはこの不思議な仮説上の粒子を追い求めている科学者が数え切れないほどいます。いくつかの物理理論がこのユニークな粒子の存在を予測していますが、まだ現れていません。
磁気単極子
磁石は私たちの生活のいたるところに存在します。冷蔵庫、スマートフォン、クレジットカードなど、すべての磁石に共通するのは、S 極と N 極があることです。
磁石を 2 つに切っても、何回繰り返しても、どれだけ小さく切っても、得られるのは N 極と S 極を持つ新しい磁石だけです。この現象はマクスウェル方程式に反映されており、宇宙には孤立した正電荷と負電荷は存在するが、孤立した磁荷は存在しないことを示しています。
過去 1 世紀にわたる量子力学の発展により、この物語に新たな章が加わりました。1931 年、ディラックは、宇宙には磁極が 1 つしかない仮想的な素粒子が存在するはずだと予測しました。この素粒子は、磁気単極子と呼ばれるものです。私たちがこれまで目にしてきた磁石はすべて、S 極と N 極を持っています。しかし、磁気単極子には 1 つの極しかありません。
多くの（おそらくほとんどの）物理学者は、磁気単極子の存在を信じています。物理学者は、電気と磁気は本質的に 1 つの力であり、負の電荷のみを持つ電子のように正と負の電荷が単独で存在できるのであれば、磁極が 1 つだけの粒子が存在するはずであるということをすでに知っています。
理論上、磁気単極子は宇宙の初期に発生したはずであり、安定しているため、ビッグバンから残った磁気単極子の痕跡流が今も全宇宙に浸透しているはずだ。しかし、問題の核心は、今日までそれらが一度も検出されていないことだ。
氷と雪の中で見つける
磁気単極子の探索には、南極にある巨大なニュートリノ検出器が役立つかもしれない。
アイスキューブニュートリノ観測所は「奇妙な」望遠鏡です。南極の1立方キロメートルの氷の中に埋め込まれた5,000個以上の光センサーで構成されており、もともとは宇宙に遍在する軽量の基本粒子であるニュートリノの研究を目的としていました。
画像: 南極のアイスキューブ観測所。| 画像提供: アイスキューブ ニュートリノ
ニュートリノは捉えにくく、ニュートリノを研究するほぼ唯一の方法は、ニュートリノと物質との稀な相互作用の産物を分析することであり、これは雪に残った足跡に基づいて動物を研究するのに似ています。
ニュートリノがアイスキューブを囲む氷の層にある原子と衝突すると、ミューオンと呼ばれる荷電粒子が生成される可能性がある。ミューオンが氷の中を十分な速度で移動すると、その経路に沿ってチェレンコフ光と呼ばれる青い放射の円錐が発生する。この光エネルギーは氷の中を移動しながらアイスキューブのセンサーを作動させ、科学者に粒子のエネルギーと方向を伝える。
興味深いことに、ニュートリノだけでなく、磁気単極子も、もし存在するなら、ほぼ光速でアイスキューブ検出器を通過するときにチェレンコフ光を放射するはずです。しかし、それらを際立たせる点が 1 つあります。それは、非常に明るいことです。磁気単極子は、ミューオンよりも約 8,000 倍多くのチェレンコフ光を放射し、これらの光の放射は軌道に沿って均一に分散されます。その結果、アイスキューブには独特で際立った特徴のパターンが生まれます。
磁気単極子、透過ミューオン、シャワー粒子、ダークミューオン
磁気単極子は、南極の IceCube に非常に目立つ痕跡を残すはずです。青は IceCube 検出器を表し、点線は粒子の軌道を表します。軌道の周りの色付きの領域は、さまざまな種類の粒子によって放出されたチェレンコフ光のパターンを表します。赤から緑までの色は、最初から最後まで光が生成されたタイミングを示します。| 画像提供: Alexander Burgman、IceCube コラボレーション
そのため、アイスキューブの科学者たちは、8年間のアイスキューブデータから磁気単極子の兆候を探すことにしました。彼らはまず、非常に明るいイベントを除外し、経路に沿って均一な放射を探しました。磁気単極子は検出器を完全に貫通できるため、貫通しない軌跡は除外する必要があります。次に、研究者たちは、サンプル内の磁気単極子イベントとミューオンイベントを区別するために、機械学習イベント記述ツール（ブースト決定木）をトレーニングしました。
最近、研究チームはこの探索の結果を発表しました。残念ながら、科学者たちは宇宙の磁気単極子の兆候を何も見つけることができませんでした。
コライダーを見る
科学者たちは、宇宙の磁気単極子を捉えるだけでなく、実験室でそのような粒子を「作り出す」ことにも取り組んでいます。
ヒッグス粒子の発見の功績が認められているLHC（大型ハドロン衝突型加速器）での新しい種類の実験により、磁気単極子が生成されやすい条件が作り出され、研究者は子供の潜在的な特性を精査することが可能になった。
LHC は、通常、極めて高いエネルギーで陽子を衝突させます。しかし、2018 年に LHC は別の粒子、重イオン、具体的には鉛の原子核を粉砕しました。これらの粒子には数百の陽子と中性子が含まれており、この重い性質により、単一の陽子の衝突よりも低いエネルギーでしか衝突できません。
しかし、これらの鉛原子核が偶然に傾いたり、非常に接近したりした場合、それらの相互作用により、宇宙で知られている最も強力な磁場の 1 つ、中性子星で見られる磁場よりも 100 万倍強い磁場という、驚くべきものが発生する可能性があります。これらの磁場はごく短時間しか持続しませんが、その存在によって磁気単極子を作成するための別のメカニズムが提供されます。
重イオンを衝突させて磁気単極子を作成する試み。| 画像提供: James Pinfold、MoEDAL コラボレーション
この理論は、モノポールの「電気バージョン」を生成するメカニズムに基づいています。1930 年代に提案されたシュウィンガー機構では、強い電場が真空中の量子ゆらぎと相互作用し、正と負の「電気モノポール」（電子と陽電子）を生成すると考えられていました。同様に、科学者は、強い磁場が北と南の磁気モノポールをもたらすはずだと推測しています。
陽子衝突では 1 回の激しい衝突から粒子が発生しますが、シュウィンガー機構では、多数の小さな相互作用から粒子が発生します。研究者はこれらの効果を理論的に説明できます。
重要なのは、これによって研究者らが、このメカニズムが生成するモノポールの数を予測できるようになったことです。この予測は、磁気モノポールの重さに依存します。簡単に言えば、モノポールが重すぎると、LHC の主コアにはモノポールを生成するのに十分なエネルギーがありません。
研究者たちは、2018年の実験で磁気単極子の作成に失敗し、これが事実であることを発見した。
科学にとって、否定的な結果であっても、肯定的な意味合いと肯定的な意味合いがあります。それでも、自然の本質を探求することができます。これらの実験は、磁気単極子が存在する場合、その重量が一定の限界 (75 GeV/c²) を超えなければならないことも実証しています。この新しい結果は、最近 Nature 誌に掲載されました。
失われた謎
モノポールの消失の謎は未だ解明されていないが、多くの物理学者はそれが存在しないことを意味しないと考えている。初期宇宙の現在の「お気に入り」モデルでは、磁気モノポールは「ボーナス」粒子である。
もしそれらが実際には存在しないことが判明した場合、私たちは現在の世界モデルの最も基本的な仮定を再考する必要があるでしょう。