Neues Benchmark-Set für die Suche nach magnetischen Monopolen

Bei der Suche nach hypothetischen magnetischen Monopolen, die in der Atmosphäre durch Kollisionen mit einfallender kosmischer Strahlung entstehen, wurde ein neuer Maßstab gesetzt. Mithilfe von Simulationen hat ein Team unter der Leitung von Wolodymyr Tachistow an der Universität Tokio verglichen Daten, die bei Experimenten zur Suche nach Monopolen gesammelt wurden, mit den Signalen, die voraussichtlich durch Kollisionen kosmischer Strahlung erzeugt werden. Dies ermöglichte es dem Team, der Existenz magnetischer Monopole neue Grenzen zu setzen.

Im Gegensatz zu elektrischen Ladungen scheinen magnetische Pole nicht unabhängig von ihren Gegenpolen zu existieren. Wenn beispielsweise ein Stabmagnet in zwei Teile zerbrochen würde, würden beide Teile einfach neue Magnete mit Paaren entgegengesetzter Pole bilden. Doch wie Paul Dirac 1931 demonstrierte, würde die Existenz magnetischer Monopole eine Symmetrie in Maxwells Gleichungen des Elektromagnetismus erzeugen und auch mit der quantisierten Natur der Grundladung des Elektrons im Einklang stehen.

Daher sind magnetische Monopole seit langem Gegenstand theoretischer Vorhersagen und experimenteller Untersuchungen, aber die Physiker sind dem Beweis ihrer Existenz noch nicht näher gekommen. Viele dieser Untersuchungen konzentrierten sich auf die Vorhersage, dass im frühen Universum durch den Kibble-Zurek-Mechanismus eine große Anzahl von Monopolen entstanden sein könnte. Allerdings haben die von diesem Modell vorhergesagten hohen Unsicherheiten in Bezug auf die Monopolmassen in Kombination mit dem ungewissen Einfluss der kosmischen Inflation über weite Zeiträume hinweg jeden Nachweis der Existenz dieser magnetischen Monopole verhindert.

Hypothetischer Fluss

Takhistovs Team hat einen anderen Ansatz gewählt und die Möglichkeit untersucht, dass Monopole entstehen, wenn hochenergetische kosmische Strahlung mit der Erdatmosphäre kollidiert. Diese Kollisionen ereignen sich ständig und daher könnte ein hypothetischer Fluss magnetischer Monopole ständig auf die Erde herabregnen. Darüber hinaus würden diese Monopole bestehende Teilchendetektoren passieren, die nach Monopolen suchen – wie zum Beispiel das Radio Ice Cherenkov Experiment (RICE) am Südpol.

In ihrer Studie simulierten die Forscher die atmosphärische Produktion von Monopolen kosmischer Strahlung mit Massen auf der elektroschwachen Skala: 5–100 TeV/C². Sie untersuchten auch, wie dieser Fluss durch die Atmosphäre auf seinem Weg zur Erdoberfläche gedämpft würde. Anschließend untersuchte das Team Daten bestehender Experimente, die in der Lage sein sollten, einen solchen atmosphärischen Fluss zu erkennen, falls er tatsächlich existierte – einschließlich RICE. Die Forscher untersuchten auch die Suche nach Monopolen am unteren Ende der elektroschwachen Skala, die am Large Hadron Collider durchgeführt wurden.

Diese Experimente haben bisher keine Nachweise erbracht, sodass die Forscher Obergrenzen für die Produktion magnetischer Monopole in der Atmosphäre festlegen konnten.

Das Team sagt, dass seine Ergebnisse einen robusten neuen Maßstab für zukünftige Experimente zur Monopolerkennung darstellen. Die Forscher weisen außerdem darauf hin, dass sich auch eine gezielte Suche nach magnetischen Monopolen mit dem IceCube-Detektor am Südpol als fruchtbar erweisen könnte.

Die Forschung ist beschrieben in Physical Review Letters.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/new-benchmark-set-for-magnetic-monopole-searches/