幾十年來，物理學家們一直在尋找磁單極子，希望能借助它整合出萬物理論。如今，我們和磁單極子的距離或許比以往都更加接近，甚至有可能已經遇到了它。
圖片來源：（左）Tek Image/Science Source；（右）Dimitri Otis/G
來源 Discover Magazine
撰文 Adam Hadhazy
翻譯 LYM
審校/編輯 戚譯引
小時候，詹姆斯·平弗德（James Pinfold）喜歡玩磁鐵。他回憶，那種無形的力量把金屬物體吸在一起或分開，令他驚訝不已。出於好奇，他曾經把一塊磁鐵鋸成兩半，試圖把磁鐵的北極和南極分開。像其他曾經嘗試過的人一樣，平弗德最終只能得到一對更小的兩極磁鐵。現在，平弗德已經是阿爾伯塔大學（University of Alberta）的物理學家了，他說：“我曾想，‘這太不可思議了’，為什麼就沒有獨立的磁極呢？“
平弗德從未停止思考這個問題。如今他領導著一個實驗，目的是尋找具有單個磁荷的理論粒子，這種單一磁荷有了北極就沒有南極，反之亦然，它被稱為磁單極子。在物理學家提出的種種關於統一自然界基本力的理論中，它們的存在似乎是完全可能的，甚至是不可避免的。
然而幾十年來，這種麻煩的粒子始終躲避著科學的搜尋。科研人員已經搜尋了天空、海水和冰塊，他們從北極和南極洲採集岩石樣本，在隕石和月球塵埃中進行搜索，在近 10 億年前的礦石中尋找它們的蹤跡。可以說，在科學的歷史上，無論從時間還是空間的角度，沒有別的東西經歷過同樣規模的搜尋。但是至今我們仍然一無所獲。
但是物理學家們並沒有打算認輸。平弗德正在耗資 40 億美元的大型強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC）上進行實驗，通過篩選亞原子碎片尋找具有單極子特徵的粒子。科學家們也在密切關注來自太空的宇宙單極子。甚至可以說，我們有可能已經發現了這神奇的粒子。
（圖片來源：Dan Bishop/Discover）
何必這樣大費周章呢？因為磁單極子也許有助於打破粒子物理學當前的僵局。經過了幾十年的建立，標準模型（Standard Model）的框架已經能用量子力學的語言精確描述自然界四種基本力中的三種及其伴隨的粒子。然而，作為所有科學中最成功的理論之一，標準模型仍不完整，它無法描述引力，也不能解釋暗物質的問題——這種神祕物質的量遠超常規物質，是可見物質的5倍。
磁單極子是一種全新的粒子，它可以為我們指出前進的方向。“單極子將幫助我們超越現有的標準模型，”平弗德說。磁單極子可以揭示如何將三種標準力結合起來，允許科學家們向所謂的萬物理論更進一步，把所有的物理學放在一個屋簷下。人類最終可以理解宇宙行為的整體性。
但首先，我們要捕獲它。
一個持久的問題
磁單極子之謎可以追溯到 150 年前。19 世紀 60 年代，著名的蘇格蘭數學物理學家詹姆斯·克萊克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）提出了將磁和電現象結合起來的方程式（即麥克斯韋方程組），這兩種現象都表達了相同的基本力，被稱為電磁力。
在方程式中，麥克斯韋將已知的正電荷和負電荷包含其中。相反的電荷很容易分開，比如你用一個氣球摩擦頭髮，頭髮就會因為獲得了額外的靜電荷豎起來，這很容易做到。但是，因為磁力總是成對出現，即表現為連接南北極的偶極，所以麥克斯韋沒有把單個的磁荷包括在其理論中。
麥克斯韋的模型不需要磁荷也能很好地運作；他的見解使得大多數現代技術成為可能，從發電到無線通信再到計算機。
然而，20 世紀的物理學理論發展直接引出了單極子的存在。 1931 年，英國理論物理學家保羅·狄拉克（Paul Dirac）證明在量子力學中允許存在這樣一個粒子，然後到了 20 世紀 70 年代，單極子成為了大統一理論的一種結果。
物理學家詹姆斯·平弗德長期以來一直在尋找磁單極子，他說，他的探測“將使我們遠遠超出目前的標準模型”。（圖片來源：Richard Soluk）
這個框架將自然界的三個基本力——強力、弱力和電磁力——結合成一個整體。但是，這種統一隻有在熾熱而充滿能量的宇宙大爆炸中才有可能。另外，弦理論認為力和粒子都是由細小的弦狀單元的振動產生的，這給磁單極子的存在又一次提供了有力的證據支撐。
作為世界上最著名的弦理論家之一，加利福尼亞大學聖巴巴拉分校（University of California, Santa Barbara）的約瑟夫·波爾辛斯基（Joseph Polchinski）在2002 年評論說，磁單極子的存在是“關於物理學最保險的賭注之一，但它迄今為止還沒露面。”16 年後，在他於 2018 年 2 月去世之前，他仍然堅持這一觀點。他說：“每當你進入一個完全統一的物理學理論，你總是會發現磁單極子。”
對單極子最簡單的描述，就是它們是攜帶磁荷的基本粒子。它們類似於攜帶電荷、電子和夸克的粒子，而後者構成了我們周圍的物質。
磁單極子也會表現出我們所熟悉的行為：相同的磁荷會相互排斥，而相反的磁荷會相互吸引。這些粒子很可能具有相當大的質量。科學家們相信它們將以可預測的、最終可探測的方式與日常物質相互作用。
理論物理學家阿圖·拉贊提（Arttu Rajantie）說：“在非常基本的水平上，這就是我們認為單極子值得尋找的原因。我們確實瞭解它們會有怎樣的行為。”
磁單極子“嫌疑人”
儘管物理學家們還在努力尋找磁單極子，但幾十年前的研究發現表明我們可能已經偶然找到了它們。
1982 年 2 月 14 日，斯坦福大學（Stanford University）的研究人員在超導迴路上探測到了一種特徵電流，這種電流被認為只可能來自磁單極子。三年後，在帝國理工學院（Imperial College London），類似的實驗中再次出現了一股無法解釋的電流，與理論預測完全吻合。由於沒有其他探測器報告這樣的事件，許多科學家認為這些信號是無法解釋的儀器誤差或背景噪聲。但是平弗德認為，如果是這樣的話，那麼這些年中一定還會探測到其他虛假的、可以被解釋的信號。他說：“實際上，很難有一個實驗問題能夠完全模仿磁單極子的信號。”
甚至早在 1973 年，由加州大學伯克利分校（University of California, Berkeley）領導的一個研究小組就發射了一個裝有一堆探測器的氣球，其中包括類似於在 LHC 的 MoEDAL 探測器中使用的塑料板。在愛荷華州蘇城（Sioux City）附近，一些高質量並且引人關注的單極型物質高速穿過機載探測器，不過它更像是從深空呼嘯而來的重元素核，就像宇宙射線一樣。再一次，這個事件沒有重現，這讓科學家們感到沮喪又好奇。
MoEDAL 探測器
拉贊提的名字 “阿圖”（Attu）的發音很像《星球大戰》（Star Wars ）中的角色 R2-D2，一個可愛的蹲伏式機器人；這個形象的玩具就坐在他在倫敦帝國理工學院的辦公室的電腦上。拉贊提偶爾也會拜訪位於瑞士日內瓦的 LHC，他參與了平弗德的項目，一同尋找磁單極子。這項合作被稱為“MoEDAL”，發音和“勳章”（medal）相同，全稱“LHC 磁單極子和奇異粒子探測器“（Monopole and Exotics Detector at the LHC），聚集了來自四大洲的 70 多人。MoEDAL 在 2015年開始收集數據，並將與 LHC 目前這一輪運行計劃同步，於今年 12 月結束，並可能加入 LHC 下一輪運行計劃，時間是 2020 年到 2022 年。
來參觀 LHC 的人可能不會留意到 MoEDAL，它看起來就像一組銀色金屬儲物櫃。MoEDAL 與 LHCb 項目的一部分共享一間地下室。LHCb 項目耗資巨大，佔據一座房屋；它探測底夸克，這是一種壽命短暫的粒子，產生於兩束質子的正面碰撞，質子束的速度接近光速。這些質子束穿過兩條長約 17 英里、環繞著 LHC 的管道飛來，而質子煙火就發生在 MoEDAL 所在的地下室內。
MoEDAL 的鎖形探測器環繞著碰撞點，等待著任何可能留下痕跡的磁單極子。這些粒子會穿過 MoEDAL 的組件中薄薄的塑料片，留下極其細微的永久性的破壞痕跡。“MoEDAL 就像一個巨大的相機，”平弗德說，塑料板“就像它的膠片。”如果他的團隊在膠片中發現了一組排列整齊的小洞，指向 LHC 的質子碰撞，平弗德和研究團隊就可以拿起香檳慶祝了。
“MoEDAL 只能檢測到新的物理現象，”平弗德說，“已知的標準模型粒子中沒有一個可以在我們的塑料板中留下痕跡。”因此探測器應該發現的不僅僅是單極子，更可能是一群新奇的粒子。“只要發生一個檢測事件，就足以確定發生了一些奇妙的事情，”平弗德說。
歐洲核子研究中心大型強子對撞機的 MoEDAL 實驗搜尋粒子碰撞的碎屑，從中尋找尋找單極子。（圖片來源：Maximilien Brice/CERN）
MoEDAL 中的第二種探測器由鋁製成，它能“誘捕”叛逃的粒子，從而能夠更好地捕獲磁單極子。拉贊提說：“如果磁單極子穿過鋁，它會減速並被困住。”研究人員通過將鋁放進一個超導迴路（一種能探測弱磁場的裝置）來探測它的存在。普通的偶極磁鐵在環路中產生兩個電流，並相互抵消；然而一個磁單極子將引發持續的電流。平弗德說：“被捕獲的磁單極子產生的電流信號是沒有辦法偽造的。”
磁單極子捕獲裝置已經就位，現在所有研究人員要做的就是觀察和等待，還有祈禱。
尋找全天然磁單極子
在地球的另一端，科學家們採取了不同的方法。除了利用人造粒子碰撞來捕獲人造的磁單極子以外，另一些物理學家正在尋找自然界中來自宇宙的磁單極子，它們最初是在宇宙大爆炸中產生的，然後從太空墜落到地球。這些磁單極子的尺寸範圍很廣，包括從超重型到輕型的磁單極子，且它們以完全不同的速度運動，其中由磁場帶動的磁單極子速度最快，以接近光速運動。
在阿根廷的皮埃爾·奧格天文臺中，1660 個水箱組成了近 1200 平方英里的實驗裝置。這些水箱可以探測到磁單極子和宇宙射線產生的粒子簇。（圖片來源：Pierre Auger Observatory）
那些運動速度極快的磁單極子是皮埃爾·奧格天文臺（Pierre Auger Observatory）主要的探測目標。這個天文臺位於阿根廷西部安第斯山脈腳下的平原上，主要探測宇宙射線，也就是穿過宇宙的一些極高能量粒子。當宇宙射線進入我們的空域後，它首先會打碎一些地球大氣層中的分子。撞擊產生的碎片隨後引發數十億粒子的級聯鏈式反應，一起向地面噴湧併發出有特徵的紫外光，這稱之為大氣簇射（air shower）。
運氣好的話，奧格天文臺的紫外線望遠鏡也可以探測到一顆正在降落的宇宙磁單極子。宇宙射線和磁單極子的信號差異很容易發現：宇宙射線的紫外線能量在早期達到峰值，然後隨著大氣簇射的消失而減弱；然而磁單極子更加“堅強”，會在降落時繼續釋放能量。
芝加哥大學（University of Chicago）的天體物理學家、奧格天文臺的一名主要研究員保羅·普里維特拉（Paolo Privitera）說：“一切都是基於單極子與探測器中的物質相互作用的事實。”在 MoEDAL 中，探測器的材質是塑料和鋁；而普里維特拉說：“在我們的探測器中，是空氣，或者說是大氣在起作用。”
到目前為止，奧格天文臺仍未在天空中發現任何磁單極子。但是，利用天文臺的宇宙射線探測器，捕捉它們的機率應該大大提高。這些探測器由近 1700 個充滿水的水箱組成，散佈在 1200 平方英里的土地上，其總面積只比羅德島州小一點點。在由宇宙射線導致的大氣簇射中，高能粒子在水中穿行的速度可以比光還快（光只在真空中以不可阻擋的最高速度移動）。在這個過程中，粒子發出可探測的光閃爍，稱為契倫科夫輻射（Cherenkov radiation），類似於光學音爆。磁單極子的簇射也應產生這種效果，因此同樣可以利用水箱來發現它們。奧格天文臺的研究人員目前正在研究如何將它們與宇宙射線區分開來。
另一個天文臺是位於南極的冰立方中微子天文臺（IceCube Neutrino Observatory），它不使用空氣或液態水，而是使用冰作為磁單極子的探測裝置。該項目的科學家已將集成數千個傳感器的大量電纜埋入一塊直徑四分之一英里的原始南極冰中。傳感器的主要任務是探測被稱為“幽靈粒子”的中微子，它與冰分子相互作用，產生快速運動的帶電粒子，同時產生契倫科夫光。
在南極，冰立方中微子天文臺使用南極洲的冰來搜尋粒子，包括天然磁單極子。（圖片來源：Ice Cube/NSF）
快速運動的磁單極子同樣可以產生契倫科夫光，直徑相對較大的慢速單極子也可以做到，但是二者的原因不同。這些磁單極子，產生於宇宙大爆炸中大統一年代（Grand Unified era）的早期，當三個基本力合為一體時，磁單極子將可能擁有極高的能量密度，此時標準模型的粒子和基本力之間的差異消失。平弗德說：“大統一理論中的磁單極子在它的微小核心中包含了一點宇宙大爆炸的影子，就是那個所有力都相同的時刻。”當冰中的質子處於磁單極子的核心時，基本粒子的差異在這裡消失，質子發生衰變，組成它的夸克轉變為其他粒子，例如正電子，同時產生可探測的切倫科夫光。
到 2015 年，研究人員發佈了最近一期的相關研究報告——基於冰立方中微子天文臺兩年的數據，他們仍然沒有找到磁單極子。但需要重申的是，耐心等待會獲得回報。
磁性研究的未來
如果磁單極子或者粒子碰撞產生的碎片真的出現在地球附近，我們一定會知道。如果有人真的在某個地方乾脆利落地捕獲了一個磁單極子，那麼真正有趣的事情就開始了。操縱磁單極子很容易，只需要施加普通的電磁場，就可以按照我們的意願彎曲它的運動路徑。磁單極子可能以磁流而非電流形式流動，從而為使用“磁電力（magnetricity） ”的技術鋪平道路，也許在超緊密數據存儲或完全重新設計的計算機體系結構中有著廣闊的應用前景。
至於科學實驗方面，通過研究一種新的粒子，我們有機會最終實現大統一理論，甚至是萬物理論。要進入物理學研究的新領域，可能需要用單極子進行對撞在，那可能得到十分激動人心的結果。拉贊提說：“如果我們能找到磁單極子，那麼我們粒子物理學家最終想要做的就是製造一個對撞機，將磁單極子與其他粒子對撞，看看會發生什麼。”誰知道，也許 LHC 可以讓位給 LMC——大型磁單極子對撞機（Large Monopole Collider）呢？
並且，平弗德和那些像他一樣想知道為什麼磁鐵不能分成單獨的北極或南極的人也將最終找到答案。
平弗德說：“磁單極子像一根金線，貫穿現代宇宙理論的發展。如果我們確實發現了什麼，那將是一件極其重要的事情。”
時髦的新物理學
雖然磁單極子是 MoEDAL 所尋找的一條“大魚”，但實驗也可以捕捉到很多有趣的其他“海產品”。下面是其他一些可能在 MoEDAL 的探測系統中留下異常痕跡的物質。
黑洞殘留物：大型強子對撞機中的粒子碎片有可能產生微型黑洞。（別擔心，這些塵埃並不能吞噬整個地球。）已故的著名物理學家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）認為微小的物體會迅速失去質量並蒸發，但是殘留的粒子可能會繼續存在。這些殘餘物或許能幫助我們在描述宇宙最大和最小尺度的、互不相容的理論之間架起一座橋樑，並可能構成了相當大一部分目前無法解釋的暗物質。
奇異子（strangelet）：日常物質原子中的質子和中子由“上夸克”和“下夸克”組成。然而，所謂的奇異物質會將更重的“奇異”夸克拋進這種混合物中，產生一種名為奇異子的粒子。這種假想物質的能量態可能低於常規物質，使其更加穩定。那些爆炸的巨大恆星（目前被稱為中子星）的緻密殘骸可能是由這種物質組成，也許可以給它們一個更酷的命名：奇異恆星。
超對稱粒子。超對稱性提出每個已知的基本粒子都具有一個超對稱伴子。例如夸克的伴子是標量夸克（squark），電子的伴子是標量電子（selectron）。這些超對稱粒子可能存在於我們未知的額外空間維度。如果是這樣，這就可以解釋為什麼引力與自然界的其他力相比如此微弱——因為那些都存在於我們研究之外的領域。
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