Figura 1. Ilustração esquemática de bússola magnética, ímã regular e monopolo magnético hipotético. Crédito:Kavli IPMU
Alguns dos aceleradores de partículas mais poderosos do mundo ajudaram os pesquisadores a traçar novos limites principais sobre a existência de monopolos magnéticos longamente teorizados a partir das colisões de raios cósmicos energéticos que bombardeiam a atmosfera da Terra, relata um novo estudo publicado em
Physical Review Letters .
Os ímãs são intimamente familiares a todos, com amplas aplicações na vida cotidiana, de TVs e computadores a brinquedos infantis. No entanto, quebrar qualquer ímã, como uma agulha de bússola de navegação composta pelos pólos norte e sul ao meio, resultará em apenas dois ímãs menores de dois pólos. Esse mistério iludiu os pesquisadores por décadas desde 1931, quando o físico Paul Dirac teorizou a existência de "monopolos magnéticos" unipolares - partículas comparáveis aos elétrons, mas com carga magnética.
Para explorar se existem monopolos magnéticos, uma equipe internacional de pesquisadores, incluindo o Instituto Kavli de Física e Matemática do Universo da Universidade de Tóquio (Kavli IPMU) Volodymyr Takhistov, estudou dados disponíveis de uma variedade de experimentos terrestres e realizou o pesquisas mais sensíveis até o momento para monopolos em uma ampla gama de massas possíveis. Os pesquisadores se concentraram em uma fonte incomum de monopolos – colisões atmosféricas de raios cósmicos que ocorrem há eras.
A pesquisa interdisciplinar exigiu reunir conhecimentos de vários cantos distintos da ciência - incluindo física de aceleradores, interações de neutrinos e raios cósmicos.
As colisões de raios cósmicos com a atmosfera já desempenharam um papel central no avanço da ciência, especialmente na exploração de neutrinos fantasmagóricos. Isso levou ao Prêmio Nobel de Física de 2015 do Kavli IPMU Fellow Takaaki Kajita pela descoberta pelo experimento Super-Kamiokande de que os neutrinos oscilam em voo, o que implica que eles têm massa.
Parcialmente inspirada pelos resultados do Super-Kamiokande, a equipe começou a trabalhar em monopolos. Particularmente intrigantes foram os monopolos leves com massas em torno da escala eletrofraca, que podem ser facilmente acessíveis aos aceleradores de partículas convencionais.
Ao realizar simulações de colisões de raios cósmicos, de forma análoga às colisões de partículas no LHC no CERN, os pesquisadores obtiveram um feixe persistente de monopolos de luz chovendo sobre diferentes experimentos terrestres.
Essa fonte única de monopolos é especialmente interessante, pois é independente de quaisquer monopolos pré-existentes, como aqueles potencialmente deixados como relíquias do universo primitivo, e cobre uma ampla gama de energias.
Ao reanalisar dados de uma ampla gama de pesquisas experimentais anteriores de monopolos, os pesquisadores identificaram novos limites em monopolos em uma ampla gama de massas, incluindo aqueles além do alcance de pesquisas monopolo convencionais de colisores.
Figura 2. Uma ilustração esquemática da produção de monopolo magnético (M) a partir de colisões de raios cósmicos com a atmosfera da Terra. Crédito:Volodymyr Takhistov
Esses resultados e a fonte de monopolos estudados pelos pesquisadores servirão como referência útil para interpretar futuras pesquisas monopolo subsequentes em laboratórios terrestres.
Os detalhes de seu estudo foram publicados em
Cartas de Revisão Física em 17 de maio.
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