Muchas teorías predicen la existencia de monopolos magnéticos, pero los experimentos aún no los han visto.
Symmetry Magazine
Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Corinne Mucha
Por Matthew R. Francis, para Symmetry Magazine Septiembre 13 de 2016
Si cortas un imán por la mitad, terminas con dos imanes más pequeños. Tanto el original como los nuevos imanes tienen polos "norte" y "sur".
Pero, ¿qué ocurre si existen polos norte y sur únicos, como cargas eléctricas positivas y negativas? Estas bestias hipotéticas, conocidas como "monopolos magnéticos", son una predicción importante en varias teorías.
Como un electrón, un monopolo magnético sería una partícula fundamental. Nadie ha visto uno todavía, pero muchos -quizás la mayoría de los físicos- dirían que probablemente existan monopolos.
"Las fuerzas eléctricas y magnéticas son exactamente la misma fuerza", dijo Wendy Taylor de la Universidad de York en Canadá. "Todo sería totalmente simétrico si existiera un monopolo magnético. Hay una gran motivación por la belleza de la simetría para esperar que esta partícula exista ".
Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Corinne Mucha
Dirac hacia el futuro
Combinando el trabajo de muchos otros, el físico del siglo XIX James Clerk Maxwell demostró que la electricidad y el magnetismo eran dos aspectos de una sola cosa: la interacción electromagnética.
Pero en las ecuaciones de Maxwell, las fuerzas eléctricas y magnéticas no eran exactamente las mismas. La fuerza eléctrica tenía cargas positivas y negativas individuales. La fuerza magnética no. Sin polos individuales-monopolos-la teoría de Maxwell parecía asimétrica, lo que le molestaba. Maxwell pensó y escribió mucho sobre el problema de la carga magnética faltante, pero lo dejó fuera de la versión final de sus ecuaciones.
El pionero de Quantum Paul Dirac recuperó el manto monopolo a principios del siglo XX. Para la época de Dirac, los físicos habían descubierto electrones y habían determinado que eran partículas indivisibles, que llevaban una unidad fundamental de carga eléctrica.
Dirac calculó el comportamiento de un electrón en el campo magnético de un monopolo. Usó las reglas de la física cuántica, que dicen que un electrón o cualquier partícula también se comporta como una onda. Para un electrón sentado cerca de otra partícula, incluido un monopolo, esas reglas dicen que la onda del electrón debe pasar por uno o más ciclos completos envolviendo alrededor de la otra partícula. En otras palabras, la ola debe tener al menos una cresta y un canal: sin medias cimas o cuartos de canal.
Para un electrón en presencia de un protón, esta regla de onda cuántica explica los colores de la luz emitida y absorbida por un átomo de hidrógeno, que está formado por un electrón y un protón. Pero Dirac descubrió que el electrón solo podía tener el comportamiento correcto de la onda si el producto de la carga magnética monopolo y la carga eléctrica fundamental transportada por un electrón eran un número entero. Eso significa que los monopolos, como los electrones, tienen una carga fundamental e indivisible. Cualquier otra partícula que lleve la carga eléctrica fundamental (protones, positrones, muones, etc.) seguirá la misma regla.
Curiosamente, la lógica funciona a la inversa también. El resultado de Dirac dice que si existe un solo tipo de monopolo, incluso si ese tipo es muy raro, explica una propiedad muy importante de la materia: por qué las partículas cargadas eléctricamente llevan múltiplos de la carga eléctrica fundamental. (Los Quarks llevan una fracción-un-tercio o dos tercios-de la carga fundamental, pero siempre se combinan para hacer múltiplos enteros de la misma carga). Y si existe más de un tipo de monopolo, debe llevar un total -número múltiplo de la carga magnética fundamental.
Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Corinne Mucha
El unicornio magnético
El descubrimiento de Dirac fue realmente un argumento de verosimilitud: si existieran monopolos, explicarían mucho, pero nada se derrumbaría si no lo hicieran.
Desde los días de Dirac, muchas teorías han hecho predicciones sobre las propiedades de los monopolos magnéticos. Las grandes teorías unificadas predicen monopolos que serían más de 10 billones de veces más masivos que los protones.
Producir tales partículas requeriría más energía de la que pueden alcanzar los aceleradores terrenales, "pero es la energía que estaba ciertamente disponible al comienzo del universo", dice Laura Patrizii del Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear.
Los detectores de rayos cósmicos de todo el mundo están buscando signos de estos monopolos, que todavía estarían presentes hoy en día, interactuando con moléculas en el aire. El experimento MACRO en Gran Sasso en Italia también buscó monopolos primordiales y proporcionó las mejores limitaciones que tenemos actualmente.
Afortunadamente para científicos como Patrizii y Taylor, las grandes teorías unificadas no son las únicas que predicen monopolos. Otras teorías predicen monopolos magnéticos de masas inferiores que podrían crearse de manera factible en el Gran Colisionador de Hadrones, y por supuesto el modelo original de Dirac no puso restricciones de masa en monopolos en absoluto. Eso significa que los físicos deben estar abiertos a descubrir partículas que no forman parte de ninguna teoría existente.
Ambos buscan monopolos creados en el Gran Colisionador de Hadrones, Patrizii usando el detector MoEDAL y Taylor usando ATLAS.
"Creo que personalmente hay muchas razones para creer que los monopolos están por ahí, y solo tenemos que seguir buscando", dice Taylor.
"Los monopolos magnéticos son probablemente mi partícula favorita. Si descubriéramos el monopolo magnético, (el descubrimiento sería) en la misma escala que la partícula de Higgs ".
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Por Matthew R. Francis, para Symmetry Magazine Septiembre 13 de 2016
Si cortas un imán por la mitad, terminas con dos imanes más pequeños. Tanto el original como los nuevos imanes tienen polos "norte" y "sur".
Pero, ¿qué ocurre si existen polos norte y sur únicos, como cargas eléctricas positivas y negativas? Estas bestias hipotéticas, conocidas como "monopolos magnéticos", son una predicción importante en varias teorías.
Como un electrón, un monopolo magnético sería una partícula fundamental. Nadie ha visto uno todavía, pero muchos -quizás la mayoría de los físicos- dirían que probablemente existan monopolos.
"Las fuerzas eléctricas y magnéticas son exactamente la misma fuerza", dijo Wendy Taylor de la Universidad de York en Canadá. "Todo sería totalmente simétrico si existiera un monopolo magnético. Hay una gran motivación por la belleza de la simetría para esperar que esta partícula exista ".
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Dirac hacia el futuro
Combinando el trabajo de muchos otros, el físico del siglo XIX James Clerk Maxwell demostró que la electricidad y el magnetismo eran dos aspectos de una sola cosa: la interacción electromagnética.
Pero en las ecuaciones de Maxwell, las fuerzas eléctricas y magnéticas no eran exactamente las mismas. La fuerza eléctrica tenía cargas positivas y negativas individuales. La fuerza magnética no. Sin polos individuales-monopolos-la teoría de Maxwell parecía asimétrica, lo que le molestaba. Maxwell pensó y escribió mucho sobre el problema de la carga magnética faltante, pero lo dejó fuera de la versión final de sus ecuaciones.
El pionero de Quantum Paul Dirac recuperó el manto monopolo a principios del siglo XX. Para la época de Dirac, los físicos habían descubierto electrones y habían determinado que eran partículas indivisibles, que llevaban una unidad fundamental de carga eléctrica.
Dirac calculó el comportamiento de un electrón en el campo magnético de un monopolo. Usó las reglas de la física cuántica, que dicen que un electrón o cualquier partícula también se comporta como una onda. Para un electrón sentado cerca de otra partícula, incluido un monopolo, esas reglas dicen que la onda del electrón debe pasar por uno o más ciclos completos envolviendo alrededor de la otra partícula. En otras palabras, la ola debe tener al menos una cresta y un canal: sin medias cimas o cuartos de canal.
Para un electrón en presencia de un protón, esta regla de onda cuántica explica los colores de la luz emitida y absorbida por un átomo de hidrógeno, que está formado por un electrón y un protón. Pero Dirac descubrió que el electrón solo podía tener el comportamiento correcto de la onda si el producto de la carga magnética monopolo y la carga eléctrica fundamental transportada por un electrón eran un número entero. Eso significa que los monopolos, como los electrones, tienen una carga fundamental e indivisible. Cualquier otra partícula que lleve la carga eléctrica fundamental (protones, positrones, muones, etc.) seguirá la misma regla.
Curiosamente, la lógica funciona a la inversa también. El resultado de Dirac dice que si existe un solo tipo de monopolo, incluso si ese tipo es muy raro, explica una propiedad muy importante de la materia: por qué las partículas cargadas eléctricamente llevan múltiplos de la carga eléctrica fundamental. (Los Quarks llevan una fracción-un-tercio o dos tercios-de la carga fundamental, pero siempre se combinan para hacer múltiplos enteros de la misma carga). Y si existe más de un tipo de monopolo, debe llevar un total -número múltiplo de la carga magnética fundamental.
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El unicornio magnético
El descubrimiento de Dirac fue realmente un argumento de verosimilitud: si existieran monopolos, explicarían mucho, pero nada se derrumbaría si no lo hicieran.
Desde los días de Dirac, muchas teorías han hecho predicciones sobre las propiedades de los monopolos magnéticos. Las grandes teorías unificadas predicen monopolos que serían más de 10 billones de veces más masivos que los protones.
Producir tales partículas requeriría más energía de la que pueden alcanzar los aceleradores terrenales, "pero es la energía que estaba ciertamente disponible al comienzo del universo", dice Laura Patrizii del Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear.
Los detectores de rayos cósmicos de todo el mundo están buscando signos de estos monopolos, que todavía estarían presentes hoy en día, interactuando con moléculas en el aire. El experimento MACRO en Gran Sasso en Italia también buscó monopolos primordiales y proporcionó las mejores limitaciones que tenemos actualmente.
Afortunadamente para científicos como Patrizii y Taylor, las grandes teorías unificadas no son las únicas que predicen monopolos. Otras teorías predicen monopolos magnéticos de masas inferiores que podrían crearse de manera factible en el Gran Colisionador de Hadrones, y por supuesto el modelo original de Dirac no puso restricciones de masa en monopolos en absoluto. Eso significa que los físicos deben estar abiertos a descubrir partículas que no forman parte de ninguna teoría existente.
Ambos buscan monopolos creados en el Gran Colisionador de Hadrones, Patrizii usando el detector MoEDAL y Taylor usando ATLAS.
"Creo que personalmente hay muchas razones para creer que los monopolos están por ahí, y solo tenemos que seguir buscando", dice Taylor.
"Los monopolos magnéticos son probablemente mi partícula favorita. Si descubriéramos el monopolo magnético, (el descubrimiento sería) en la misma escala que la partícula de Higgs ".
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