利用欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机（LHC）退役的一段束管进行的新研究，让科学家们比以往任何时候都更接近于检验磁单极子是否存在。诺丁汉大学的科学家与一个国际团队合作，揭示了迄今为止对磁单极子存在的最严格限制，突破了人们对这些难以捉摸的粒子的认知界限。他们的研究成果发表在8月15日的《物理评论快报》上。

一组物理学家利用退役的大型强子对撞机束管探索了磁单极子的存在。尽管没有发现单极子，但他们的研究为这些难以捉摸的粒子提供了重要的制约因素，有可能为物理学研究开辟新的途径。欧洲核子研究中心

理论基础和研究重点

在粒子物理学中，磁单极子是一种假设的基本粒子，它是一块孤立的磁铁，只有一个磁极（一个北极而没有南极，反之亦然）。

诺丁汉大学物理和天文学学院多萝西-霍奇金研究员奥利弗-古尔德是这项研究的首席理论家，他说："会不会存在只有一个磁极（南磁极或北磁极）的粒子？著名物理学家皮埃尔-居里、保罗-狄拉克和约瑟夫-波尔钦斯基都曾倡导过这种引人入胜的可能性，它一直是理论物理学中最吸引人的谜团之一。证实它们的存在将对物理学产生变革性的影响，然而迄今为止，实验探索却一无所获。"

实验装置和方法

研究小组重点搜索了欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机的一段退役束管。这项研究由大型强子对撞机（MoEDAL）实验的单极和外来物探测器的物理学家进行，他们检验了位于紧凑渺子螺线管（CMS）实验粒子碰撞点的一段铍束管。该管道经受了数以亿计的超高能离子碰撞产生的辐射，而这些碰撞就发生在几厘米之外。

"束管靠近超相对论重离子的碰撞点，为探测具有空前高磁荷的单极子提供了一个独特的机会，"在阿拉巴马大学奥斯特洛夫斯基教授的 MoEDAL 小组工作期间领导实验分析的博士生 Aditya Upreti 解释说。"由于磁荷守恒，单极子无法衰减，预计会被管道材料捕获，这使我们能够利用对磁荷直接敏感的设备可靠地搜索它们。"

成果与未来方向

研究人员在大型强子对撞机的重离子对撞中研究了磁单极子的产生，对撞产生的磁场甚至比快速旋转的中子星的磁场还要强。如此强烈的磁场可能导致通过施温格机制自发产生磁单极子。

奥利弗补充说："尽管这是一段注定要废弃的旧管道，但我们的预测表明，它可能是地球上最有希望找到磁单极子的地方。"

MoEDAL 合作小组使用超导磁力计扫描光束管，寻找被困磁荷的特征。虽然他们没有发现磁单极子的证据，但他们的结果排除了轻于80 GeV/c²（其中c为光速）的单极子的存在，并为2至45个基本单位的磁荷提供了世界领先的约束条件。

奥利弗总结说，研究小组现在计划扩大搜索范围："我们使用的束流管来自大型强子对撞机的首次运行，该运行是在2013年之前以较低的能量进行的。将研究扩展到更高能量的最新运行，可以使我们的实验范围扩大一倍。我们现在还在考虑完全不同的磁单极子搜索策略。"

编译自/ScitechDaily

DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.071803