Magnetmonopool

Magneti pooleksmurdmisel saadakse kaks magnetit, millel mõlemal on oma põhjapoolus ja lõunapoolus

Magnetmonopoolid ehk magnetlaengut kandvad osakesed on hüpoteetilised elementaarosakesed, mis kujutavad endast magneteid, millel on ainult üks poolus. Kõikidel tavalistel magnetitel on nii põhja- kui ka lõunapoolus ja magneti pooleks murdmisel saadakse kaks väiksemat magnetit, millel on olemas mõlemad poolused. Magnetmonopoolid on aga oma vastaspoolusest eraldiseisvad. Mitmed teadlased on väitnud, et neil on õnnestunud laboritingimustes magnetmonopoole luua , kuid looduses neile analooge leitud ei ole. On öeldud, et magnetmonopooli avastamine oleks sama oluline läbimurre, nagu oli elektroni avastamine 1897. aastal .

Ajalugu

Pierre Curie käis 1849. aastal välja mõtte, et magnetmonopoolid võivad olemas olla, kuigi neid ei ole kunagi nähtud . Magnetmonopoolide teooria loojaks peetakse aga kvantfüüsikut Paul A. M. Diraci, kes avaldas oma teooria kvantiseeritud magnetlaengutest aastal 1931 . Oma töös näitas Dirac, et juhul kui magnetmonopoolid eksisteerivad, peab ka elektrilaeng olema kvantiseeritud ning lootis, et magnetmonopoolide eksistents oleks piisav tõestus kõikide Universumi elementaarosakeste kvantiseeritusest [1]. Kuna on teada, et elektrilaeng on kvantiseeritud, annab see alust arvata, et Diraci teooria peab paika. Olulisi teadusuurimusi selles valdkonnas pärineb aastatest 1975 , 1982 , 2009 ja 2014 .

Magnetmonopooli magnetlaeng

Paul Dirac seostas omavahel elementaarlaengu ja oletatava magnetlaengu. Vastav seos esineb kujul

$g={{n\hbar c} \over {2e}}=ng_{\text{D}}$,

kus n on täisarvuline suurus (n = 1, 2, ...), e on elementaarlaeng, ħ on taandatud Plancki konstant, c on valguse kiirus vaakumis ja g_D on Diraci magnetlaeng.

Diraci magnetlaengu väärtus selle võrrandi järgi arvutatuna on:

$ng_{\text{D}}={{\hbar c} \over {2e}}=68,5e$ .

Seos Gaussi seadustega

"Gaussi seadus magnetväljade jaoks ütleb, et summaarset magnetvoogu läbi pinna ei ole, sest ei ole olemas magnetlaenguid (magnetmonopoole), mis oleksid selle pinna sees. Kõige lihtsam iseseisvalt eksisteeriv magnetiline struktuur sisaldab nii magnetvälja jõujoonte allikat kui ka nende neelukohta. Seega peab kinnisesse pinda sisenev magnetvoog alati võrduma sellest pinnast väljuva magnetvooga ja summaarne magnetvoog on alati null."

Valemina avaldub see kujul:

$\nabla \cdot \mathbf {B} =0$

kus $\nabla$ tähistab divergentsi ja $\mathbf {B}$ magnetvälja.

Kui magnetmonopoolide olemasolu kinnitust leiab, tuleb Gaussi seadusse sisse viia parandused, mis arvestaksid, et magnetvälja divergents B on võrdeline magnetlaengu tihedusega ρ_m:

$\nabla \cdot \mathbf {B} =4\pi \rho _{\mathrm {m} }$

kus $\rho _{\mathrm {m} }$ tähistab magnetlaengu tihedust.

Kui pinna sees on magnetlaengu väärtuseks null, taandub võrrand Gaussi võrrandi praegu kehtivale kujule.

Spinnjää

Aatomite paigutus tetraeedriliselt korrastunud spinnjääs. Mustad nooled näitavad spinnide suundi

2009. aastal avaldati artikkel, milles uuriti magnetmonopoolide esinemist spinnjääs . Spinnjää on kristalliline materjal, milles esinevad absoluutse nulltemperatuuri (0 K ehk −273,15 °C) lähedaste temperatuuride juures struktuurid, mis käituvad nagu magnetmonopoolid.

Spinnjää materjalitüki sees saavad magnetilised põhjapoolus ja lõunapoolus piltlikult öeldes ringi triivida, kuid on selles materjalitükis lõksus ehk ei eksisteeri vabas olekus . Seepärast ei sarnane spinnjää monopoolid Diraci ennustatud monopoolidega. Järelikult ei kinnita spinnjää katsed magnetmonopoolide olemasolu. Küll aga võivad spinnjää omadused leida rakendust magnetiliste mälumaterjalide valmistamisel.

Materjalid, mis käituvad spinnjääna, on tahkes olekus tetraeedriliselt korrastunud ja meenutavad sellega vesiniku ja hapniku aatomite paiknemist harilikus jääs. Spinnjää materjalid on aga frustreerunud olekus, kus kristalli struktuur ja aatomitevahelised jõud häirivad üksteist, tekitades magnetisminähtuse. Materjalid, mis on leitud spinnjääna käituvat on düsproosiumi ja holmiumi titanaadid ja stannaadid: Dy₂Ti₂O₇, Ho₂Ti₂O₇, Ho₂Sn₂O₇, Dy₂Sn₂O₇.

Bose'i-Einsteini kondensaat

Graafikud Bose'i-Einsteini kondensaadina käituvatest rubiidiumi aatomitest. Parempoolseim graafik vastab puhtale Bose'i-Einsteini kondensaadile, kus aatomite liikumiskiirused on väga ühtlased

2014. aastal teatati, et ülimadalatel temperatuuridel gaaside uurimine on viinud arvatavate magnetmonopoolide leidmiseni. Eksperimendis uuriti rubiidiumi aatomite käitumist välises magnetväljas väga madalal temperatuuril . Temperatuur oli vaid mõni miljondik kraadi soojem absoluutsest nulltemperatuurist, millega viidi rubiidiumi aatomid oma madalaimasse kvantolekusse, ehk muudeti Bose'i-Einsteini kondensaadiks. Bose'i-Einsteini kondensaati nimetatakse ka materjali viiendaks olekuks (tahke, vedela, gaasilise ja plasma kõrval), kus aatomid hakkavad käituma kogumina, milles individuaalsete aatomite asukoht ei ole enam oluline . Kondensaadis märgati tillukesi keeriseid, mida teadlased peavad magnetmonopoolide eksperimentaalseks kinnituseks ja arvavad, et need võivad esineda ka looduses . Bose'i-Einsteini kondensaadis tehtud katse oponentide hinnangul on suudetud aga luua ainult katseskeem, mis näitab Diraci matemaatiliste eelduste paikapidavust, kuid ei tõesta magnetmonopoolide olemasolu ning uurimistööd peab jätkama.

Uurimistöö CERN-is

Magnetmonopoolide otsimisega tegeletakse ka CERNi uurimiskeskuse LHC osakestekiirendil. Suure tõenäosusega on magnetmonopoolid liiga massiivsed, et neid osakestefüüsika meetoditega tuvastada saaks. Samas ei pruugi praegu oletatav monopooli massi hinnang tegelikkusega kokku langeda. Magnetmonopooli arvatav mass on arvutatud eeldusel, et monopooli raadius on sama suur kui elektroni raadius. Sedasi on saadud võrrand:

$r_{\text{M}}={{2g} \over {m_{\text{M}}c^{2}}}=r_{\text{e}}={{2e} \over {m_{\text{e}}c^{2}}}$

kus r_M on monopooli raadius, m_M on monopooli mass, g on Diraci magnetlaeng, c on valguse kiirus vaakumis, r_e on elektroni raadius ja m_e on elektroni mass. Magnetmonopooli arvutuslik mass on selle järgi

$m_{\text{M}}={{2gm_{\text{e}}} \over {e^{2}}}\approx {{2,4GeV} \over {c^{2}}}$

Praeguste võimaluste juures on see mass detekteerimiseks liiga suur, kuid mõnede arvutusmudelite järgi võivad monopoolid olla ka hetkevõimekuse juures detekteeritavad .