Figura 1. Ilustración esquemática de una brújula magnética, un imán regular y un monopolo magnético hipotético. Crédito:Kavli IPMU
Algunos de los aceleradores de partículas más poderosos del mundo han ayudado a los investigadores a establecer nuevos límites principales sobre la existencia de monopolos magnéticos teorizados durante mucho tiempo a partir de las colisiones de rayos cósmicos energéticos que bombardean la atmósfera terrestre, informa un nuevo estudio publicado en Physical Review Letters .
Los imanes son íntimamente familiares para todos, con una amplia gama de aplicaciones en la vida diaria, desde televisores y computadoras hasta juguetes para niños. Sin embargo, romper cualquier imán, como la aguja de una brújula de navegación que consta de polos norte y sur por la mitad, dará como resultado solo dos imanes de dos polos más pequeños. Este misterio ha eludido a los investigadores durante décadas desde 1931, cuando el físico Paul Dirac teorizó sobre la existencia de "monopolos magnéticos" unipolares, partículas comparables a los electrones pero con una carga magnética.
Para explorar si existen monopolos magnéticos, un equipo internacional de investigadores, incluido el miembro del Instituto Kavli para la Física y Matemáticas del Universo (Kavli IPMU) de la Universidad de Tokio (Kavli IPMU), Volodymyr Takhistov, estudió los datos disponibles de una variedad de experimentos terrestres y llevó a cabo el búsquedas más sensibles hasta la fecha de monopolos en una amplia gama de masas posibles. Los investigadores se centraron en una fuente inusual de monopolos:colisiones atmosféricas de rayos cósmicos que han estado ocurriendo durante eones.
La investigación interdisciplinaria requirió reunir la experiencia de varios rincones distintos de la ciencia, incluida la física de aceleradores, las interacciones de neutrinos y los rayos cósmicos.
Las colisiones de rayos cósmicos con la atmósfera ya han jugado un papel central en el avance de la ciencia, especialmente en la exploración de neutrinos fantasmales. Esto condujo al Premio Nobel de Física 2015 de Kavli IPMU Senior Fellow Takaaki Kajita por el descubrimiento mediante el experimento Super-Kamiokande de que los neutrinos oscilan en vuelo, lo que implica que tienen masa.
Parcialmente inspirado por los resultados de Super-Kamiokande, el equipo se puso a trabajar en los monopolos. Particularmente intrigantes fueron los monopolos ligeros con masas alrededor de la escala electrodébil, que pueden ser fácilmente accesibles para los aceleradores de partículas convencionales.
Mediante la realización de simulaciones de colisiones de rayos cósmicos, de forma análoga a las colisiones de partículas en el LHC del CERN, los investigadores obtuvieron un haz persistente de monopolos de luz que llovía sobre diferentes experimentos terrestres.
Esta fuente única de monopolos es especialmente interesante, ya que es independiente de cualquier monopolo preexistente, como los que potencialmente quedaron como reliquias del universo primitivo, y cubre una amplia gama de energías.
Al volver a analizar los datos de una amplia gama de búsquedas de monopolos experimentales anteriores, los investigadores identificaron límites novedosos en los monopolos en una amplia gama de masas, incluidas aquellas que están más allá del alcance de las búsquedas de monopolos de colisionadores convencionales.
Figura 2. Una ilustración esquemática de la producción de monopolos magnéticos (M) a partir de colisiones de rayos cósmicos con la atmósfera terrestre. Crédito:Volodymyr Takhistov
Estos resultados y la fuente de monopolos estudiados por los investigadores servirán como un punto de referencia útil para interpretar futuras búsquedas de monopolos en laboratorios terrestres.
Los detalles de su estudio se publicaron en Physical Review Letters el 17 de mayo. Aprovechar los campos magnéticos más fuertes del universo podría revelar una partícula escurridiza
