Впервые удалось симулировать магнитный монополь

Поведение так и не открытой элементарной частицы может быть частично симулировано в лабораторных условиях с помощью конденсата Бозе — Эйнштейна.

Физики из Амхерстского колледжа (США) и Университета Аалто (Финляндия) смогли создать и заснять в лаборатории синтетические магнитные монополи — частицы, существование которых было предсказано Полем Дираком в 1931 году, но которые до сих пор упорно избегают регистрации в природе.

Магнитный монополь в представлении художника (иллюстрация Heikka Valja).

У любого магнита есть два полюса — северный (отрицательный) и южный (положительный), то есть он располагает магнитным диполем. Но сколько ни разрезай его надвое, отдельно южный и отдельно северный полюса вы не получите: просто у вас будут два меньших диполя. В то же время и положительный, и отрицательный электрические заряды вполне могут существовать отдельно. Но как получить монополь — изолированный однополярный магнит?

Вопрос далеко не праздный, ибо, скажем, закон Гаусса для магнитного поля вообще не будет работать, если магнитные монополи существуют, да и столь важное для современной физики предположение о том, что электрические заряды всех частиц представляют собой дискретные величины, получит прямое подтверждение. В общем, по значимости открытие монополя станет чем-то вроде открытия электрона.

Спустя 83 года после того, как знаменитый физик-теоретик Поль Дирак предсказал возможность существования монополей, международная команда ученых во главе с профессором физики Дэвидом С. Холлом и доцентом Микко Мотонненом создала и сфотографировала синтетические магнитные монополи.

Учёные попробовали воспроизвести систему с признаками монополя в облачке из примерно миллиона ультрахолодных рубидиевых атомов, «замороженных» до стомиллиардной кельвина. В таком состоянии они теряют поведение, свойственное индивидуальным частицам, и становятся частью коллективного квантового состояние материи — конденсата Бозе — Эйнштейна.

Опыт был аналогичен умственному эксперименту Дирака от 1931 года: конденсат Бозе — Эйнштейна соответствовал единичному электрону, и плотность атомов в каждой точке соответствовала вероятности существования электрона в данном регионе пространства. Атомы конденсата имеют магнитный спин, который условно можно назвать квантовым эквивалентом крохотной иглы компаса. Такой спин реагирует на приложение внешнего магнитного поля. Но в эксперименте спины выступали не как часть магнитного поля вокруг монополя; поле же было представлено свойством, характеризующим пространственное упорядочивание этих спинов, — их вихреобразованием.

Секция облачка (верхний ряд) с тёмным пятном, «растекающимся» от центра, — признак наблюдения синтетического дираковского монополя. Внизу для сравнения показана компьютерная симуляция процесса. (Иллюстрация D. S. Hall et al.)

Это достижение открывает изумительные перспективы для квантовых исследований, полагают учёные, и не только в смысле подтверждения умственного эксперимента Дирака.

«С созданием синтетического магнитного монополя мы получим непревзойдённую глубину проникновения в свойства природного монополя, если только он и впрямь существует», — говорит Дэвид Холл (David Hall), возглавлявший экспериментаторов.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature.
Подготовлено по материалам Nature News.