سنگ‌های قطبی گرفته شده از جبّه‌ی زمین ممکن است بهترین کاندیدا برای جستجوی تک‌قطبی‌های مغناطیسی باشند.

نخستین جستجو برای تک‌قطبی‌های مغناطیسی در سنگ‌های آذرین قطبی گرفته‌شده از جبّه‌ی زمین (که تصور می‌شد حاوی نسبت بالاتری از مقدار تک‌قطبی‌های مغناطیسی به ماده باشند) توسط پژوهش‌گرانی در سوئیس انجام شد. این تیم نمونه‌هایی را با وزن 23.4 کیلوگرم مربوط به مناطقی از قطب شمال و قطب جنوب مورد تجزیه‌ و‌ تحلیل قرار داد. هرچند که هیچ تک‌قطبی مغناطیسی یافت نشد، ولی نسبت تک‌قطبی‌ها به نوکلئون‌های موجود در نمونه‌های مورد بررسی، با اطمینان 90٪، به یک حد بالایی به میزان 1.6 از تک‌قطبی‌ها به ازای 10²⁸ نوکلئون محدود شد. این گروه مدعی است که مطالعه‌ی آن‌ها دارای حساسیت قابل مقایسه یا بهتر از گسترده‌ترین جستجوی شهاب‌سنگ تاکنون بوده است.

تک‌قطبی‌مغناطیسی پنهان شده در زیر منظره‌ی قطب جنوب

تک‌قطبی‌های مغناطیسی در سال 1931 توسط پل دیراک به عنوان روشی برای توضیح کوانتش بار الکتریکی پیش‌بینی شد. وجود آن‌ها هم‌چنین به واسطه‌ی برخی از نظریه‌های اتحاد بزرگ (grand unification theories) پیش‌بینی شده است، اما این ذره‌ی پیش‌بینی شده تاکنون گریزان باقی مانده است.

فیلیپ مرمود (Philippe Mermod) سرپرست این گروه از دانشگاه ژنو می‌گوید: «تک‌قطبی مغناطیسی، یک شیء فرضی واقعاً جذاب است که کوانتش بار الکتریکی را توضیح می‌دهد و در نظریه‌ها جهت متحد کردن برهم‌کنش‌های اساسی ضروری است. این ما را متعجب ساخته است که چرا این ذره در طبیعت هرگز یافت نشده است. عدم حضور آن کاملاً به صورت یک راز باقی مانده است.»

ریشه‌های کیهانی

اعتقاد بر این است که تک‌قطبی‌ها ممکن است در شتاب‌دهنده‌های پرانرژی ذرات مانند برخورد‌ دهنده‌ی هادرونی بزرگ (LHC) تولید شوند. با این وجود اگر تک‌قطبی‌ها بسیار سنگین باشند، انرژی پرتو برای تولید آن‌ها در اثر برخورد ذرات ناکافی است. در این حالت تنها رخدادهای به اندازه‌ی کافی پرانرژی می‌توانند تک‌قطبی‌های مغناطیسی را تولید کنند؛ نظیر آنچه که در کیهان یا پس از انفجار بزرگ رخ داده است.

مرمود توضیح می‌دهد: «در چنین حالتی تک‌قطبی‌ها باید در اطراف ما باشند: یا به طور آزادانه در فضا حرکت کنند و یا اینکه مقید به ماده باشند. اما آزمایش‌های قبلی قادر به مشاهده‌ی هیچ تک‌قطبی در صدها کیلوگرم ماده‌ی زمینی و حتی سیارک‌ها و سنگ‌هایی از ماه نبوده است. این نشان می‌دهد که آن‌ها در صورت وجود، بسیار نادر هستند.»

مرمود و گروهش بر این باورند که راه پیدا کردن تک‌قطبی مغناطیسی ممکن است استفاده از یک شتاب‌دهنده‌ی قویتر یا تجزیه و تحلیل مواد بیشتر نباشد، بلکه می‌تواند مدل‌های جستجوی تازه باشد.

کره‌ی زمین در طول تشکیل خود به صورت مذاب بوده است و از آن زمان به تعدادی لایه با ساختار شیمیایی مجزا تفکیک شده است: پوسته، جبّه، هسته‌ی درونی و هسته‌ی بیرونی. در طول این مرحله هر تک‌قطبی که در ماده مقید شده و زمین را تشکیل داده است، به احتمال زیاد به سمت هسته‌ی زمین فرو رفته است. بنابراین انتظار می‌رود که پوسته از چنین تک‌قطبی‌های ستاره‌ای تهی شده باشد. تک قطبی‌ها قبل از تشکیل منظومه‌ی شمسی ما در غبار ستاره‌ای به دام افتاده بودند.

نگاه عمیق

با این وجود تک‌قطبی‌ها در جبّه‌ی جامد زمین از نظر جنبش محدودند و بدون توجه به قطبش و جهت میدان مغناطیسی‌شان، به آهستگی در امتداد خطی با جابجایی جبّه حرکت داده می‌شوند. در رسیدن به هسته‌ی مایع، جرم‌شان آن‌ها را به سمت مرکز زمین می‌کشاند، قبل از آنکه به واسطه‌ی بار مغناطیسی‌ خود به سمت قطب‌های زمین جذب شوند.

بنابراین مرمود و همکارانش پیش‌بینی کردند که تک‌قطبی‌ها ممکن است در طول جبّه به فاصله‌ی 3400 کیلومتر –شعاع هسته‌ی زمین‌- از محور مغناطیسی زمین توزیع شده باشند. از این رو سنگ‌های منابع قطبی گرفته شده از جبّه، کاندیداهای بالقوه‌ای برای جستجوی مواد حامل تک‌قطبی مغناطیسی هستند. نمونه‌های انتخاب شده در این مطالعه عمدتاً محدود به چنین سنگ‌هایی با عرض جغرافیایی بالا (بالاتر از 63 درجه) بودند.

این گروه تک‌قطبی‌های مغناطیسی را در میان نمونه‌ها با یافتن اثر جریان مداوم در حلقه‌ای از ماده‌ی ابررسانا جستجو می‌کرد.

کاوش سنگ‌های قطبی

مرمود می‌گوید: «سنگ‌های آتشفشانی قطبی قبل از این هرگز برای  جستجوی تک‌قطبی مورد کاوش قرار نگرفته بودند.» او در ادامه توضیح می‌دهد که محاسباتش نشان می‌دهد توازن نیروی الکترومغناطیسی/گرانشی برای گستره‌ای از اجرام و بارهای تک‌قطبی سودمند بوده است و به مگنومتری دسترسی داشته است که قادر بوده اثر تک قطبی را در نمونه‌های سنگی آشکارسازی کند. واقعاً این احتمال وجود داشت که تک‌قطبی‌های مغناطیسی به طور چشمگیری کشف شوند.

علاوه بر این، این تیم سنگ‌هایی با ترکیبات شیمیایی را مورد تجزیه‌و‌تحلیل قرار داده است که به اعماق جبّه مربوط می‌شوند.

ادامه‌ی شکار

با این وجود شکار تک‌قطبی‌های مغناطیسی در ماده در اینجا خاتمه نمی‌یابد. مرمود می‌افزاید: «آینده‌ی جستجوی تک‌قطبی‌های به دام افتاده در ماده به امکان دسترسی به تجهیزات بهتر بر مبنای فن‌آوری‌های جدید بستگی دارد و هم‌چنین به نمونه‌های عجیب و غریب مواد. به محض آنکه یک ماده‌ی جدید در دسترس قرار بگیرد برای مثال نمونه‌های بازگشته از سیارک‌ها یا ستاره‌ی دنباله‌دار، کاوش آن‌ها جهت تک‌قطبی‌های مغناطیسی مهم خواهد بود.»

این پژوهش در arXiv موجود است.

منبع: http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/feb/11/searching-for-magnetic-monopoles-in-polar-rocks