Physiker vermuten seit langem die Existenz magnetischer Monopole, Partikel, die einen Nord- oder Südpol ohne das Gegenstück besitzen. Obwohl diese schwer fassbaren Monopole noch nicht gefunden wurden, haben neue Daten vom Large Hadron Collider (LHC) den Forschern ermöglicht, den möglichen Energiebereich, in dem sie existieren könnten, einzuschränken.

Das Konzept der magnetischen Monopole wurde ursprünglich vom Physiker Paul Dirac vorgeschlagen. Er schlug vor, dass das Vorhandensein magnetischer Monopole mit der Quantenmechanik vereinbar wäre und bestimmte unerklärte Eigenschaften der elektrischen Ladung erklären könnte. Nach Diracs Theorie ist die kleinste mögliche magnetische Ladung für ein einzelnes Monopol 68,5-mal so groß wie die Ladung eines Elektrons, wobei größere Monopole ein Vielfaches dieser Ladung sind.

In den 1970er Jahren gewann die Suche nach magnetischen Monopolen an Bedeutung, da sie zu einem Schlüsseltest für Theorien wurde, die auf eine Vereinigung der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik abzielten. Obwohl gelegentlich Berichte über die Entdeckung magnetischer Monopole auftauchten, wurden sie oft zurückgezogen oder waren auf fehlerhafte Informationen zurückzuführen.

Die ATLAS-Kollaboration am CERN hat unter Verwendung von LHC-Daten zwei mögliche Mechanismen identifiziert, wie hochenergetische Kollisionen zwischen Protonen magnetische Monopole mit Massen von bis zu 4 TeV erzeugen könnten. Beide Mechanismen beinhalten die Emission virtueller Photonen durch die Protonen. In einem Szenario erzeugt ein virtuelles Photon ein magnetisches Monopol allein, während in einem anderen zwei Photonen interagieren, um ein Monopol zu erzeugen. Beide Szenarien würden die gebrochene elektrisch-magnetische duale Symmetrie in den Maxwell-Gleichungen wiederherstellen.

ATLAS sucht nach Anzeichen von magnetischen Monopolen, indem sie nach Ladungsablagerungen in ihrem Detektor suchen. Da ein Monopol eine viel größere Ladung tragen würde als ein Elektron, sollten sich diese Ablagerungen von denen anderer subatomarer Teilchen abheben.

Obwohl ATLAS noch keine direkte Evidenz für magnetische Monopole gefunden hat, hat ihre Analyse der LHC-Daten von 2015-2018 die möglichen Massen und Produktionsraten der kleinsten Monopole um den Faktor drei reduziert.

Obwohl die Suche endlos erscheinen mag, glaubt die Gemeinschaft der Physiker an die Bedeutung der Entdeckung magnetischer Monopole. Ihr Nachweis würde nicht nur die Theorien, die ihre Existenz vorhersagen, bestätigen, sondern die Massen dieser Monopole könnten auch zwischen konkurrierenden Theorien unterscheiden.

Der Forschungsartikel, der diese Ergebnisse diskutiert, wurde an das Journal of High Energy Physics geschickt und ist als Preprint auf ArXiv.org verfügbar.

Quellen:
– Phys.org
– CERN (ATLAS-Kollaboration)
– Journal of High Energy Physics (Preprint)