磁单极子失踪之谜

在《生活大爆炸》里，谢耳朵为了他的弦理论研究，曾和他的三位小伙伴一同前往磁北极寻找磁单极子。谢耳朵还一度以为已经证明了磁单极子的存在，相信自己会因此拿到诺贝尔奖。

图片来源：《生活大爆炸》剧照

虽然谢耳朵的磁单极子最后被证明是乌龙，但在科学界，确实有无数科学家正在追寻这种神奇的假想粒子。

不少物理理论都预言了这种独特的粒子的存在，但它至今仍然没有现身。

  磁单极子  

磁铁在我们的生活中随处可见。无论是在你的冰箱上，还是你的智能手机里，或是你的信用卡中，所有磁铁都有一个共同点，它们一定有一个南极加一个北极。

即使你把一块磁铁从中一切为二，无论重复多少次，切得多小，得到的都只会是分别有各自南北极的新的磁铁。这种现象反映在了麦克斯韦的方程中，它表明了宇宙中存在孤立的正负电荷，但却并不存在孤立的磁荷。

上个世纪，量子力学的发展为故事带来了新篇章。1931年，狄拉克预言了宇宙中应当存在这样一种只有单个磁极的假想基本粒子，也就是我们现在常说的磁单极子。

我们见过的所有磁铁都有一个南极和一个北极。但磁单极子只有一个磁极。| 图片来源：Dominguez, Daniel/CERN

许多（甚至可能大部分）物理学家都相信磁单极子的存在。物理学家已经知道，电和磁在本质上是一种力，如果正负电荷可以单独存在，就像只带负电荷的电子那样，那么只带一个磁极的粒子理应存在。

理论上来说，磁单极子应该产生于早期宇宙中，而且它们是稳定的，因此应该有一个大爆炸后遗留下的磁单极子的遗迹通量，仍然渗透在所有空间中。

但问题的关键是，直到今天，它们从未被探测到。

  在冰天雪地中寻找  

在寻找磁单极子的历程中，坐落在南极的一台巨大的中微子探测器也许能够帮助我们。

冰立方中微子天文台是一台“奇怪”的望远镜。它由埋在南极一立方千米冰层中的5000多个光传感器组成，它最初的目标是研究一种弥漫在宇宙中的轻量级基本粒子，也就是中微子。

南极冰立方天文台。| 图片来源：IceCube Neutrino

中微子难以捉摸，研究它们的几乎唯一方法是通过分析中微子与物质罕见的相互作用的产物，这就好像根据动物在雪地上留下的脚印来研究它们一样。

如果一个中微子与冰立方周围冰层中的一个原子相撞，它可以产生一个被称为μ子的带电粒子。当一个μ子以足够快的速度穿过冰层时，就会沿着它的路径产生锥形的蓝色辐射，被称为切连科夫光。这种光能穿过冰层，并在途中触发冰立方的传感器，从而告诉科学家粒子的能量和方向。

有趣的是，不仅是中微子，如果磁单极子的确存在，以接近光速飞行的它们在通过冰立方探测器时也会发出切连科夫光。但有一点使它们与众不同，它们异常明亮。磁性单极子发出的切连科夫光大约是μ子的8000倍，而且这些光的发射会沿着它们的轨迹均匀分布。这就会让冰立方中出现一种独特而明显的特征图案。

磁单极子应该在南极冰立方中留下一种非常明显的痕迹。蓝色代表冰立方探测器，虚线表示了粒子的轨迹。轨迹周围的有色区域代表了不同类型的粒子所发出的切连科夫光模式。颜色从红色到绿色表示光从先到后的产生时间。| 图片来源：Alexander Burgman, IceCube Collaboration

正因如此，冰立方的科学家决定在8年间的冰立方数据中寻找磁单极子的迹象。他们首先筛选出了格外明亮的事件，并寻找沿着路径的均匀发射。由于磁单极子可以完全贯穿探测器，他们要排除那些非贯穿性的轨迹。接着，研究人员训练了一个机器学习的事件描述工具（提升决策树），来区分样本中的磁单极子事件和μ子事件。

近期，团队发布了这项搜索的结果。不幸的是，科学家没能找到任何宇宙磁单极子的特征。

  在对撞机中寻找  

除了捕捉宇宙中的磁单极子，科学家也正努力在实验室中“创造”出这种粒子。

曾在希格斯玻色子的发现中立下功劳的LHC（大型强子对撞机）的一类新实验，创造了更有可能产生磁单极子的条件，让研究人员能提炼磁单极子可能的性质。

LHC最常见的是在极高的能量下将质子粉碎。但在2018年，LHC粉碎了一种不同的粒子，也就是重离子，具体来说是铅核。这些粒子包含数百个质子和中子，这种重的特点意味着它们只能在比单质子对撞更低的能量下进行对撞。

然而，如果这些铅核意外地斜撞或非常接近地擦肩而过，它们的相互作用可以产生一些壮观的东西，那将是宇宙中已知的最强磁场之一，比在中子星中发现的磁场还要强一百万倍。这些磁场只能持续极短的时间，但它们的存在为产生磁单极子提供了一种不同的机制。

通过将重离子对撞，试图产生磁单极子。| 图片来源：James Pinfold, MoEDAL Collaboration

这一理论遵循的是一种能产生“电版本”的单极子的机制。1930年代提出的施温格机制认为，强电场将与真空中的量子涨落相互作用，产生正和负的“电单极子”（电子和正电子）。类似的，科学家推测，一个强磁场应该会带来南与北的磁单极子。

在质子对撞中，粒子产生于一次激烈的对撞，而与之不同的是，在施温格机制中，粒子产生于大量的小的相互作用。研究人员可以从理论上描述这些作用。

重要的是，这让研究人员可以预测这种机制会产生多少个单极子。这种预测取决于磁单极子有多重。简单来说，如果它们过重，那么LHC的铅核就没有足够的能量制造出它们。

在2018年的实验中，研究人员就发现了这种情况，他们没能产生磁单极子。

对科学来说，即使是负面结果也有其正面而积极的意义。它们仍然能让我们探索自然的本质。这些实验同时证明了，如果磁单极子的确存在，它们的重量一定超过了一个特定的极限（75 GeV/c²）。新的结果发表于近期的《自然》杂志上。

  失踪之谜  

磁单极子的失踪之谜仍然没有揭开，但许多物理学家仍然相信，这并不意味着磁单极子就不存在。在我们目前“最喜欢”的早期宇宙模型中，磁单极子是一种“打包票”的粒子。

如果最终证明它们真的不存在，我们就必须重新思考我们当前世界模型的最基本假设。