Medan elektromagnetik karena mereka akan dihasilkan oleh muatan listrik positif dan negatif, baik saat istirahat dan bergerak (atas), serta yang secara teoritis akan dibuat oleh monopole magnetik (bawah), jika ada. (WIKIMEDIA COMMONS USER MASCHEN)

Misteri Abadi Mendeteksi Satu-Satunya Monopole Magnetik Semesta

Penemuan ilmiah sering terjadi ketika Anda tidak menduganya. Tapi tidak ada yang bisa mengharapkan ini.

Bayangkan bahwa Anda adalah seorang ilmuwan, keluar untuk mengambil risiko merancang dan membangun eksperimen yang semua orang harapkan tidak akan melihat apa pun. Anda berinvestasi dalam fisika di pinggiran: mencari tanda partikel yang tidak mungkin, tetapi secara teoritis bukan tidak mungkin, yang belum pernah terlihat sebelumnya. Beberapa ilmuwan berspekulasi, selama beberapa dekade, bahwa partikel seperti itu berpotensi ada, tetapi semua upaya untuk mendeteksi keberadaannya - baik langsung maupun tidak langsung - telah kosong.

Suatu akhir pekan, Anda membuat percobaan jangka panjang dan memutuskan untuk tidak datang ke lab pada hari Minggu itu. Ketika Anda kembali pada hari Senin, Anda menemukan bahwa hal yang tidak terpikirkan telah terjadi: detektor Anda mencatat sinyal yang tidak pernah Anda lihat sebelumnya. Untuk pertama kalinya (dan satu-satunya), Anda melihat bukti untuk partikel baru. Ini bukan hanya skenario mimpi; ini terjadi, sebenarnya, kembali pada Hari Valentine tahun 1982.

Garis medan magnet, seperti yang diilustrasikan oleh magnet batang: dipol magnetik, dengan kutub utara dan selatan terikat bersama. Magnet permanen ini tetap termagnetisasi bahkan setelah medan magnet luar diambil. (NEWTON HENRY BLACK, HARVEY N. DAVIS (1913) FISIKA PRAKTIS)

Dalam ilmu elektromagnetisme, Anda memiliki dua jenis muatan: positif dan negatif. Muatan fundamental ini sifatnya hanya listrik, tidak memiliki muatan magnet intrinsik. Tentu, Anda dapat memiliki kutub magnet utara dan selatan, tetapi tidak pernah satu tanpa yang lain. Fakta bahwa elektromagnetisme bukanlah teori simetris - bahwa ada muatan listrik tetapi bukan magnetis - adalah kebenaran mendasar dari hukum alam kita.

Satu-satunya cara kita dapat menghasilkan medan magnet, oleh karena itu, adalah memiliki muatan listrik yang bergerak: arus listrik. Arus-arus ini dapat dihasilkan pada tingkat atom atau molekuler, karena elektron individu mengorbit dalam struktur makroskopik yang jauh lebih besar. Bahkan magnet permanen yang Anda ketahui tidak mungkin terlepas dari kutub utara atau selatan; mereka hanya bisa hidup bersama.

Tali magnetik dapat dibuat di bawah kondisi laboratorium tertentu, di mana kedua ujung tali, sesuai dengan kutub utara dan selatan, dapat dipisahkan dengan baik oleh jarak yang sangat besar. Jika satu kutub dijaga relatif terisolasi dari yang lain, ia dapat membuat partikel semu yang berfungsi sebagai analog monopole magnetik. (D. J. P. MORRIS ET AL. (2009), SCIENCE VOL. 326, 5951, PP. 411-414)

Di alam, menemukan kutub utara dan kutub selatan bersama-sama adalah sifat magnet yang tidak bisa dinegosiasikan. Magnet ada, tetapi hanya dalam bentuk dipol magnetik. Tidak ada hal-hal seperti kutub magnet utara atau selatan dengan sendirinya: monopole magnetik. Jika kami ingin membuatnya, hanya ada dua cara untuk melakukannya. (Dan cara pertama melibatkan sedikit kecurangan.)

1.) Kita dapat membuat partikel semu yang menyerupai monopole magnetik. Dalam aplikasi tertentu dari fisika benda terkondensasi, dimungkinkan untuk membuat string magnetik, di mana magnet panjang dan tipis dibuat pada kisi, memungkinkan Anda untuk memisahkan kutub utara dan selatan dengan jarak yang jauh. Jika Anda dapat memisahkannya dengan jarak yang cukup besar, akan muncul, ketika Anda melihat sistem Anda, bahwa hanya ada satu kutub. Namun, tiang lainnya masih ada; hanya terpisah dan terisolasi dari kutub yang Anda ukur.

Dimungkinkan untuk menuliskan berbagai persamaan, seperti persamaan Maxwell, yang menggambarkan Alam Semesta. Kita dapat menuliskannya dalam berbagai cara, tetapi hanya dengan membandingkan prediksi mereka dengan pengamatan fisik kita dapat menarik kesimpulan tentang validitasnya. Itu sebabnya versi persamaan Maxwell dengan monopole magnetik (kanan) tidak sesuai dengan kenyataan, sedangkan versi tanpa (kiri) tidak. (ED MURDOCK)

2.) Kita dapat memodifikasi teori elektromagnetisme untuk memasukkan monopole magnetik. Ini benar-benar kesombongan teoretis: mengubah hukum fisika yang dikenal untuk memungkinkan penciptaan jenis materi baru. Modifikasinya sederhana: alih-alih hanya muatan listrik, berhipotesis bahwa jenis muatan baru - muatan magnet - juga ada. Jika Anda menambahkan ini ke teori Anda, semua elektromagnetisme menjadi simetris.

  • Muatan listrik ada dalam versi positif dan negatif; Muatan magnetik ada di versi utara dan selatan.
  • Muatan listrik yang bergerak menghasilkan medan magnet; bergerak muatan magnet menghasilkan medan listrik.
  • Mengubah medan magnet menyebabkan muatan listrik bergerak; sekarang mengubah medan listrik akan menyebabkan muatan magnetik bergerak.

Ini pertama kali dipermainkan oleh Dirac pada 1930-an, tetapi tidak ada yang menganggapnya serius karena kurangnya bukti.

Gagasan unifikasi menyatakan bahwa ketiga kekuatan Model Standar, dan mungkin bahkan gravitasi pada energi yang lebih tinggi, disatukan bersama dalam satu kerangka kerja tunggal. Gagasan ini sangat kuat, telah menyebabkan banyak penelitian, tetapi merupakan dugaan yang sepenuhnya tidak terbukti. Namun demikian, banyak fisikawan yakin ini adalah pendekatan penting untuk memahami alam, dan telah menyebabkan beberapa prediksi yang menarik, generik, dan dapat diuji. (© ABCC AUSTRALIA 2015 NEW-PHYSICS.COM)

Namun, pada tahun 1970-an, ada minat baru pada teori-teori yang lebih simetris daripada Semesta yang kita kenal dan amati hari ini. Grand Unification Theories menjadi terkenal, ketika unifikasi elektroweak membuat banyak orang berpendapat bahwa mungkin, pada energi yang lebih tinggi, ada jenis unifikasi tambahan yang mungkin ada.

Jika kekuatan dan interaksi lebih menyatu di masa lalu, itu akan menyiratkan keberadaan fisika baru di luar apa yang saat ini dikenal dalam Model Standar. Mematahkan simetri-simetri itu untuk mendapatkan Semesta energi rendah yang kita miliki saat ini menghasilkan prediksi medan tambahan dan partikel masif baru. Dalam banyak inkarnasi, monopole magnetik (dari ‘t Hooft / Polyakov) adalah beberapa prediksi baru tersebut.

Konsep monopole magnetik, memancarkan garis medan magnet dengan cara yang sama dengan muatan listrik terisolasi akan memancarkan garis medan listrik. Tidak seperti dipol magnetik, hanya ada satu sumber tunggal yang terisolasi. (STATUS BPS DI LATAR BELAKANG DAN INTEGRABILITAS OMEGA - BULYCHEVA, KSENIYA ET AL. JHEP 1210 (2012) 116)

Kapan pun Anda memiliki prediksi teoretis yang menarik dan meyakinkan, Anda ingin menemukan cara untuk mengujinya. Jika ada monopol magnetik yang menembus Alam Semesta, ada kemungkinan bahwa kami dapat mendeteksi salah satunya jika melewati lingkaran kawat. Melewati magnet melalui loop konduktor akan mendaftarkan sinyal: positif dari besarnya tertentu ketika kutub pertama melewatinya, dan kemudian negatif yang besarnya sama ketika kutub kedua melewati.

Namun, jika monopol magnetik nyata, Anda akan mendapatkan sinyal yang hanya memiliki satu arah: positif atau negatif, diikuti oleh kegagalan untuk kembali ke garis dasar nol. Sepanjang tahun 1970-an, beberapa peneliti merancang dan membangun eksperimen jenis ini. Sejauh ini, yang paling terkenal disatukan oleh fisikawan Blas Cabrera.

Meskipun percobaan asli yang mencari monopol magnetik primitif dibandingkan dengan detektor seperti IceCube atau MoEDAL LHC, yang juga dirancang untuk mendeteksi partikel eksotis seperti monopol magnetik, banyak elemen desain dasar bersifat universal. (KERJASAMA CERN / MOEDAL)

Cabrera merancang eksperimennya untuk beroperasi pada suhu dingin, cryogenic, membuat tidak hanya satu loop dari kawat, tetapi sebuah kumparan berisi delapan loop. Koil dirancang dan dioptimalkan untuk mengukur fluks magnet, jadi jika monopole dari satu magneton (unit teoritis magnet terkuantisasi) melewatinya, Anda akan melihat sinyal tepat 8 magnet.

Jika, di sisi lain, Anda melewati magnet dipol melaluinya, Anda akan mendapatkan sinyal +8 diikuti oleh salah satu dari -8 (atau -8 diikuti oleh +8), sehingga Anda bisa membedakan antara monopole dan dipol . Jika sinyalnya selain 8 magnet (atau kelipatan 8), Anda tahu Anda tidak melihat monopol magnetik.

Sebelum peristiwa 14 Februari 1982, satu-satunya peristiwa yang terdaftar di detektor Cabrera adalah dari 2 magnet atau kurang. Satu peristiwa 8 magneton belum pernah terjadi sebelumnya, dan konsisten dengan monopole magnetik dari muatan yang diprediksi (Dirac) melewatinya. (CABRERA B. (1982). HASIL PERTAMA DARI DETEKTOR SUPERKONDUKTIF UNTUK MEMINDAHKAN MONOPOL MAGNETIK, SURAT ULASAN FISIK, 48 (20) 1378–1381)

Jadi, dia membuat perangkat ini dan menunggu. Perangkat itu tidak sempurna, dan kadang-kadang salah satu loop akan mengirim sinyal, memberikan positif palsu +1 atau -1 magneton. Pada kesempatan yang bahkan lebih jarang, dua loop akan mengirim sinyal sekaligus, memberikan sinyal palsu +2 atau -2. Ingat, Anda membutuhkan sinyal 8 (dan persis 8) agar menjadi monopole magnetik.

Aparat tidak pernah mendeteksi tiga atau lebih.

Eksperimen ini berjalan selama beberapa bulan tanpa hasil, dan akhirnya diturunkan hanya beberapa kali sehari. Pada bulan Februari 1982, Hari Valentine jatuh pada hari Minggu, dan Cabrera tidak datang ke lab. Ketika dia kembali ke kantor pada tanggal 15, dia secara mengejutkan menemukan bahwa komputer dan perangkat tersebut telah mencatat tepat 8 magnet hanya pada pukul 14:00 pada tanggal 14 Februari 1982.

Pada tahun 1982, sebuah eksperimen berjalan di bawah kepemimpinan Blas Cabrera, satu dengan delapan putaran kawat, mendeteksi perubahan fluks delapan magneton: indikasi monopole magnetik. Sayangnya, tidak ada yang hadir pada saat deteksi, dan tidak ada yang pernah mereproduksi hasil ini atau menemukan monopole kedua. (CABRERA B. (1982). HASIL PERTAMA DARI DETEKTOR SUPERKONDUKTIF UNTUK MEMINDAHKAN MONOPOL MAGNETIK, SURAT ULASAN FISIK, 48 (20) 1378–1381)

Penemuan itu meraung di seluruh komunitas, menghasilkan banyak minat. Perangkat raksasa dengan luas permukaan lebih besar dan loop lebih banyak dibangun, dengan banyak grup baru bergabung mencari monopole magnetik. Terlepas dari investasi sumber daya yang besar, monopole lain tidak pernah terlihat. Stephen Weinberg, Pemenang Nobel yang terkenal dan pengembang Model Standar, menulis sebuah puisi untuk Cabrera pada Hari Valentine berikutnya:

Bunga mawar itu berwarna merah,
Bunga violet berwarna biru,
Sudah waktunya untuk monopole
nomor dua!

Tapi monopole dua tidak pernah datang. 37 tahun setelah deteksi pertama (dan satu-satunya), pencarian monopole magnetik sebagian besar telah ditinggalkan, dengan eksperimen IceCube Antartika memberikan batas paling ketat.

Batas eksperimental pada keberadaan monopole magnetik. Baris terendah pada grafik mewakili batas paling ketat, dan berasal dari percobaan IceCube. Monopole magnetik kedua, dalam 37 tahun kami telah mencari mereka, belum pernah ditemukan (KATZ, AS ET ET. PROG.PART.NUCL.PHYS. 67 (2012) 651-704)

Kita mungkin tidak pernah tahu apa yang terjadi di dalam detektor itu pada Hari Valentine tahun 1982. Apakah benar-benar ada monopole magnetik yang melewatinya, di mana kami cukup beruntung untuk menemukannya tetapi tidak pernah melihat yang lain? Apakah itu kesalahan yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam peralatan? Sinar kosmik yang paling tidak biasa dengan sifat-sifat yang sampai saat ini belum dapat dijelaskan? Atau, mungkin, sebuah lelucon yang dimainkan oleh seorang siswa, saingan, atau penyabot profesional?

Dalam sains eksperimental, hal yang paling penting adalah dapat mereplikasi hasil Anda, dan deteksi monopole kedua tidak pernah terjadi. Secantik Semesta simetris, yang tampaknya bukan Semesta yang kita miliki. Tidak ada yang tahu apa yang terjadi untuk membodohi kami dengan berpikir kami mendeteksi monopole magnetik, tetapi tanpa konfirmasi berulang, kami tidak punya pilihan selain menyimpulkan itu tidak nyata. Monopole magnetik, sejauh yang kami tahu, tampaknya tidak ada.

Mulai Dengan Bang sekarang di Forbes, dan diterbitkan ulang di Medium berkat para pendukung Patreon kami. Ethan telah menulis dua buku, Beyond The Galaxy, dan Treknology: The Science of Star Trek dari Tricorders ke Warp Drive.