Nuevos experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones están reduciendo la búsqueda de monopolos magnéticos: partículas con solo un polo magnético norte o sur.
Todas las partículas elementales conocidas tienen polos norte y sur, como una barra magnética tradicional, pero los científicos tienen buenas bases teóricas para creer que existen monopolos. Si se encuentran, podrían arrojar nueva luz sobre el electromagnetismo y la unificación de las fuerzas fundamentales.
Estos nuevos experimentos… nos han dado una idea mucho más sólida de hacia dónde puede ir la búsqueda de monopolos a continuación. Profesor Arttu Rajantie
Ahora, una nueva clase de experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN, primero previsto por los físicos imperiales, han creado más condiciones que probablemente produzcan monopolos. Aunque todavía no se ha encontrado ninguno, los nuevos experimentos han permitido a los investigadores refinar las propiedades probables de los monopolos, dirigiendo el curso de futuros experimentos.
Los resultados, producidos por el equipo MoEDAL (Monopole and Exotics Detector at the LHC) que incluye investigadores del Imperial College London, se publican hoy en la revista Naturaleza.
Coautor Profesor Arttu Rajantie Del Departamento de Física de Imperial, cuyo equipo desarrolló la teoría detrás de los nuevos experimentos, dijo: «Describir cómo se comportarían los monopolos magnéticos a altas energías es un problema abierto de larga data en la física teórica. Como interactuarían muy fuertemente con el campo electromagnético, las mismas técnicas que usamos para otras partículas no funcionan.
“Debido a esto, las conclusiones que los físicos han podido sacar de experimentos previos en el LHC y en otros lugares han sido limitadas. Sin embargo, estos nuevos experimentos, utilizando un mecanismo de producción diferente, nos permiten descartar categóricamente la existencia de ciertos tipos de monopolos y nos han dado una idea mucho más sólida de hacia dónde puede ir la búsqueda de monopolos a continuación”.
Choque de iones pesados
El LHC comúnmente rompe protones individuales a energías extremadamente altas. Aunque el experimento MoEDAL analiza estas colisiones, no hay una buena comprensión teórica de cómo se pueden producir los monopolos en estos eventos.
En 2018, el LHC estrelló un tipo diferente de partícula: iones pesados, en forma de núcleos de plomo. Estas partículas contienen cientos de protones y neutrones, y esta pesadez significa que solo pueden colisionar a energías más bajas que las colisiones de un solo protón.
Sin embargo, si estos núcleos de plomo se cortan entre sí o pasan muy cerca, la interacción puede crear algo espectacular: los campos magnéticos más fuertes que se conocen en el universo, un millón de veces más fuertes que los que se encuentran en las estrellas de neutrones. Estos solo duran un tiempo extremadamente corto, pero su existencia proporciona un mecanismo diferente para producir monopolos magnéticos.
La teoría sigue un mecanismo para crear la versión eléctrica de los monopolos: electrones y su equivalente en antimateria, los positrones. El ‘mecanismo de Schwinger’, propuesto en la década de 1930, dice que un fuerte campo eléctrico interactuará con las fluctuaciones cuánticas en el vacío y producirá electrones y positrones. De manera similar, un fuerte campo magnético debería producir monopolos Norte y Sur.
¿Qué tan pesado es un monopolo?
En contraste con las colisiones protón-protón donde las partículas se producen por una sola colisión violenta, en el mecanismo de Schwinger surgen de una gran cantidad de pequeñas interacciones, que los investigadores pueden describir teóricamente. Es importante destacar que estos investigadores permiten predecir cuántos monopolos se producirían mediante este mecanismo.
Sin embargo, la predicción depende de qué tan pesados sean los monopolos. Si son demasiado pesados, las colisiones de los núcleos de plomo en el LHC no tendrían la energía suficiente para producirlos.
Se descubrió que este era el caso en la serie de experimentos de 2018; no se produjeron monopolos. Los experimentos, sin embargo, prueban que si existen monopolos, son más pesados que un cierto límite (75 GeV/c2). Esto permite hacer nuevas predicciones para futuros experimentos que aplasten núcleos de plomo a energías más altas.
El experimento también muestra que la colisión de iones pesados como núcleos de plomo es un método válido para buscar nuevas partículas. El profesor Rajantie dijo: “Las colisiones protón-protón, al ser de tan alta energía, a menudo se consideran la única frontera para descubrir nueva física, y las colisiones de iones pesados son útiles solo para examinar fenómenos conocidos a energías más bajas.
«Nuestra búsqueda de monopolos muestra que estos experimentos de campo magnético fuerte pero de baja energía también pueden usarse para buscar nueva física. Las actualizaciones del LHC y los experimentos futuros, como el Future Circular Collider propuesto, programado para ser casi cuatro veces más largo que la circunferencia de 27 km del LHC, deben tener esto en cuenta”.
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‘Primera búsqueda experimental para la producción de monopolos magnéticos a través del mecanismo de Schwinger‘ por B. Acharya et al. se publica en Naturaleza.
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