Kappløpet mot den magnetiske monopolen

Kompass med magnet. (Wikipedia / Frederick Raymond Bamber)

Magneter har en sørpol og en nordpol – en rød og en hvit ende på nåla i kompasset. Har du noen gang sett en magnetisk nordpol alene, uten en sørpol som klenger seg på? Eller en ensom sørpol? I såfall kan jeg nesten garantere deg  tur til Stockholm, middag med Kungen, en lekker gullmedalje og noen millioner svenske kronor på konto. Fysikere har nemlig jaktet på magnetiske monopoler i mangfoldige år – så langt uten å finne noe som helst. Og jakten intensiveres stadig.

«Pappa! Det er et monster i klesskapet!». Pappa på pletten, kikker inn i klesskapet, og med sin mest betryggende stemme kan han forsikre at klesskapet er fullstendig monsterfritt. Case closed? Særlig. «Men pappa, det er et monster under senga!». Sukk. «Men, kjære deg, monstere finnes ikke.» Ganske riktig. Monstere er aldri observert. I hvertfall ikke dokumentert tilfredsstillende etter vitenskapelige standarder. Men har vi lett skikkelig overalt, under alle senger? En verden med monstre er mye stiligere enn en verden uten, så de burde jo finnes?

Fysikere er som barn. De har i årevis lett intenst etter magnetiske monopoler inni skap og under senger med superledende ringer, enorme vanntanker og en rekke andre fiffige eksperimenter. Uten å finne noe. Case closed? Særlig. «Men Forskningsråd, vi tror det kan være magnetiske monopoler i akkurat det energibåndet i akkurat det eksperimentet!» For vi har jo ikke lett over alt ennå. Og en verden med magnetiske monopoler er mye stiligere og vakrere enn en verden uten magnetiske monopoler, så de burde finnes.

Og svært mange fysikere tror at de finnes. Essensen i argumentet er som følger: Vi har elektriske monopoler, for eksempel har elektronet negativ ladning uten at det klenger seg til en positiv ladning. Elektrisitet og magnetisme ligner på hverandre. Derfor burde vi også ha magnetiske monopoler.

Elekromagnetismens plagsomme skjevhet

Da jeg var aktiv i studentforeningen Fysikkforeningen ved Universitetet i Oslo kledde vi oss opp i T-skjorter av det noe nerdete slaget (så vidt jeg vet gjør de det fortsatt). Øverst stod det: «And god said…» Deretter fulgte fire korte ligninger, og til slutt «…and there was light».

En ung Maxwell, mannen bak de fantastiske ligningene. Pizzahjulet hans slo ikke like godt an. (Wikimedia Commons)

Ligningene gjengitt på T-skjorta ble publisert av skotten James Clerk Maxell i 1873. De kalles i dag Maxwells ligninger og beskriver naturligvis lysbølger. Men de beskriver også mye mer. For eksempel hvordan vi kan lage en strøm ved å snurre på en magnet (noe som brukes  i dynamoer), eller hvordan en elektrisk strøm vil danne et magnetfelt (noe som benyttes for eksempel i de enorme elektromagnetene i MR-maskiner). Og lysbølgene? Jo, de beskrives som en kombinasjon av magnetiske og elektriske felter som danser av sted i lysets hastighet. Det er derfor lys kalles elektromagnetiske bølger.

Og hvis du lurer på hvordan ligningene ser ut, her er de:

\nabla \cdot \mathbf{E} = \frac{\rho}{\epsilon_0}  \newline \nabla \cdot \mathbf{B} = 0  \newline \nabla \times \mathbf{E} = - \frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t}  \newline \nabla \times \mathbf{B} = - \mu_0 \mathbf{J} + \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial \mathbf{E}}{\partial t}

Man skal ikke kikke lenge på Maxwells ligninger for å bli slått av symmetrien mellom det elektriske (E) og magnetiske (B). Magnetfelt og elektriske felt opptrer på nesten akkurat samme måte i de ulike ligningene. Jeg skal gi et lite eksempel (la deg skremme av ligningene, du trenger ikke forstå hva de betyr).

Se på ligningen \nabla \cdot \mathbf{B} = 0. B angir magnetfeltet, og ligningen sier at «divergensen til magnetfeltet er lik null». Akkurat hva dette betyr er ikke så nøye her. Har vi en tilsvarende ligning for det elektriske feltet? Jada, det elektriske feltet betegnes med en \mathbf{E}, og vi finner ligningen \nabla \cdot\mathbf{E} = \frac{\rho}{\epsilon_0}. Det ligner litt, men her ser vi at høyresiden er noe som ikke er null. Men hva er dette «noe». Jo, \rho sier noe om hvor mye elektrisk ladning vi har, eller altså mengden elektriske monopoler. Hvis vi ikke har noen elektriske ladninger (for eksempel gjennom elektroner eller protoner), vil høyresiden av denne ligningen være 0, akkurat som for magnetfeltet. 0-en i \nabla \cdot \mathbf{B} = 0 sier altså at det så vidt vi vet ikke finnes magnetiske monopoler. Hvis vi hadde hatt magnetiske monopoler ville vi ikke hatt en 0, og ligningen for magnetfeltet ville lignet enda mer på ligningen for det elektriske feltet. Ligningene ville da vært mer symmetriske og vakre. Eksempelet her er litt overfladisk, men illustrerer symmetriargumentet som fysikere bruker.

Litt forenklet er det altså slik argumentet for eksistensen av magnetiske monopoler går: Ligningene blir mer symmetriske og vakre med magnetiske monopoler enn uten, ergo bør magnetiske monopoler finnes.

Høres dette uvitenskapelig og svevende ut? Kanskje, men jakten på det symmetriske og vakre har så langt vist seg å være en usedvanlig fruktbar vei å følge i fysikken. Mange av de fundamentale fysiske lovene vi har kommet fram til er nettopp et resultat av at man har sett symmetrier mellom tilsynelatende urelaterte fenomener. Maxwells ligninger er i seg selv et glitrende eksempel på hvordan symmetri og skjønnhet har drevet fysikken framover. Det er bare dette lille, plagsomme problemet at ligningene kunne vært enda vakrere hvis vi bare hadde funnet noen magnetiske monopoler!

Paul Dirac, et av det forrige århundrets lyseste hoder (Wikimedia Commons).

En annen viktig motivasjon for å lete etter magnetiske monopoler ble åpenbart i 1931 av  fysikeren Paul M. Dirac. Utgangspunktet er at all elektrisk ladning er kvantisert – altså de kommer i små, udelelige pakker. Elektronet bærer for eksempel med seg én slik pakke (en elementærladning), og det er så vidt vi vet ikke mulig å finne eller lage en elektrisk ladning som er mindre enn elektronets. Det Dirac viste, rent teoretisk, er at hvis det finnes magnetiske monopoler et eller annet sted i universet, da må alle elektriske ladninger være kvantiserte – altså komme i slike små pakker. Og siden vi observerer at elektriske ladeninger kommer i små pakker, gir det oss enda et argument for å lete etter magnetiske monopoler.

Å finne en magnetisk monopol

Men hvis de finnes, hvordan kan vi få sett en?

Du kan dele en kompassnål i to, men du vil da bare ende opp med to nye kompassnåler. (Wikipedia/Sbyrnes321)

Først det trivielle forslaget: En kompassnål har to magnetiske poler, den er en magnetisk dipol. Kan vi ikke bare dele en kompassnål på midten slik at vi får nordpolen og en sørpolen hver for seg? Niks. Det eneste som vil skje da er at det oppstår en ny nordpol og sørpol, slik at vi nå har to magnetiske dipoler. Grunnen til det skal jeg ikke komme inn på her, annet enn å si at det er fordi kompassnåla på mikroskopisk nivå består av milliarder av milliarder av ørsmå magnetiske dipoler.

Vi kan altså ikke forvente å finne en stor klump med elektrisk ladning, men må lete etter en liten partikkel, en slags magnetismens svar på elektronet.

Det er i prinsippet to ulike metoder man kan bruke for oppdage magnetiske monopoler. Man kan enten se etter monopoler som allerede finnes rundt oss, eller man kan forsøke å lage monopolene selv. Begge metodene har blitt brukt.

Hvis magnetiske monopoler finnes, bør de ha blitt produsert i de første øyeblikkene etter Big Bang. I såfall burde vi ha Big Bang-produserte magnetiske monopoler svevende rundt i rommet, og vi kan sette opp en detektor og håpe at en monopol kommer svevende forbi.

En metode som har blitt brukt er å sette opp en superledende ring. Hvis en magnetisk monopol kommer flyvende gjennom en slik ring vil det dannes en liten elektrisk strøm som kan måles. I 1982 publiserte Blas Cabrera ved Standford-universitetet en artikkel der han mente å ha sett én enkelt magnetisk monopol passere gjennom superlederringen sin (og det på selveste Valenin’s day). Flere tilsvarende eksperimenter ble laget, men ingen andre har sett snurten av en monopol. Hadde Cabrera griseflaks, eller så han faktisk en magnetisk monopol? Fåglarna vet. Uansett, konklusjonen fra disse eksperimentene er: Hvis magnetiske monopoler svever rundt i universet må det være veldig, veldig langt mellom dem.

MoEDAL-eksperimentet ligger sammen med detektorsystemet LHCb ved den store partikkelkræsjeren LHC ved CERN-laboratoriet.

Det er altså gode grunner til å ikke investere alle sparepengene sine i et eksperiment som skal lete etter tilfeldig forbipasserende magnetiske monopoler. Da er det kanskje bedre å lage sine egne monopoler. Og dette er faktsik en av de mange sideeffektene man håper på å få ut av «Big Bang-maskina» Large Hadron Collider ved CERN-laboratoriet. Her smeller man partikler sammen i enorme hastigheter og produserer på den måten kaskader av nye partikler. Her kan man i prinsippet også kunne lage magnetiske monopoler.

Et av eksperimentene ved LHC, MoEDAL, skal se etter magnetiske monopoler. Enkelt fortalt består eksperimentet av ti plastikkflak plassert utenfor et av kollisjonspunktene til LHC, og håpet er at de produserte magnetiske monopolene skal lage små hull i disse plastikkflakene (jeg lover at teorien og eksperimentet er bittelitt mer sofistikert enn det kan høres ut som her).

Hvis de finner magnetiske monopoler vil de løse en gammel fysikerhodepine. Og etterpå vil verden være litt mer symmetrisk og vakker.

About these ads

Om Jostein Riiser Kristiansen

Astrofysiker og førsteamanuensis ved Høgskolen i Oslo og Akershus.
Dette innlegget ble publisert i fysikk og merket med , , . Bokmerk permalenken.

2 svar til Kappløpet mot den magnetiske monopolen

  1. Tilbaketråkk: Hypotetisk partikkelkalender: 6. desember – Magnetisk monopol | Kollokvium

  2. Tilbaketråkk: Rykter: Vil BICEP avsløre Big Bang-bølger? | Kollokvium

Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut / Endre )

Twitter picture

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut / Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut / Endre )

Google+ photo

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut / Endre )

Kobler til %s