I RISULTATI SU PHYSICAL REVIEW LETTERS

Monopoli magnetici, il campo si restringe

L’esistenza dei monopoli magnetici prodotti in atmosfera mediante collisione di raggi cosmici è stata confinata in precisi intervalli energetici, grazie a uno studio che ha analizzato i dati raccolti da tre esperimenti condotti al Large Hadron Collider (Lhc) del Cern

     30/05/2022
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Illustrazione schematica della bussola magnetica e dell’ipotetico monopolo magnetico. Crediti: Kavli Ipmu

Spezzando a metà un qualsiasi magnete, come ad esempio l’ago di una bussola di navigazione composto da poli nord e sud, si ottengono solo due magneti più piccoli a due poli. Nel 1931 però, Paul Dirac teorizzò l’esistenza di monopoli magnetici unipolari – particelle paragonabili agli elettroni ma con un solo polo magnetico e caratterizzate dal possedere una carica magnetica netta. Si tratta tutt’ora di particelle ipotetiche perché la loro esistenza non è mai stata verificata sperimentalmente.

In un nuovo studio pubblicato su Physical Review Letters, alcuni degli acceleratori di particelle più potenti del mondo sono stati impiegati per definire nuovi limiti utili a circoscrivere gli intervalli di energia in cui è possibile scoprire l’esistenza di monopoli magnetici. Come avviene quando si cerca l’esistenza di particelle elementari (come, ad esempio, nel caso del bosone di Higgs), si considera una serie di esperimenti terrestri che coprono un’ampia gamma di masse possibili per i monopoli (e quindi un’ampia gamma di energie).

Secondo la teoria, un possibile canale di formazione di queste particolari particelle sarebbero le collisioni dei raggi cosmici energetici in ingresso nell’atmosfera terrestre, e questo è il primo studio dettagliato che analizza questo scenario. Il vantaggio di cominciare da qui a cercare queste particelle esotiche è che questa fonte di monopoli è indipendente dalla cosmologia, è stata attiva per tutta la storia della Terra e fornisce un flusso di monopoli continuo che può raggiungere geograficamente qualunque esperimento terrestre. L’atmosfera offre quindi la possibilità di eseguire il primo confronto diretto tra i vincoli imposti dalla fisica delle collisioni fra particelle e le precedenti ricerche sull’abbondanza dei monopoli cosmici. Storicamente, le collisioni atmosferiche con i raggi cosmici sono state utilizzate come meccanismo di produzione di punta per gli studi sui neutrini, portando alla scoperta del fenomeno delle oscillazioni dei neutrini.

Illustrazione schematica della produzione di un monopolo magnetico (M) dalle collisioni dei raggi cosmici con l’atmosfera terrestre. Crediti: Volodymyr Takhistov

Come si può vedere nella figura, le collisioni tra il flusso isotropo di raggi cosmici in arrivo e l’atmosfera danno luogo a una copiosa produzione di particelle. Concentrandosi sui costituenti dominanti del protone, il fenomeno atmosferico considerato dai ricercatori è principalmente una fonte di collisioni protone-protone. A differenza degli esperimenti di collisione convenzionali che operano a un’energia fissa (l’Lhc su scala 10 TeV) il flusso di raggi cosmici consente di esplorare un ampio spettro di energia, raggiungendo masse di monopolo fino a 106 GeV. I ricercatori si sono concentrati in modo particolare sui monopoli leggeri con masse tipiche della scala elettrodebole, facilmente riproducibili dagli acceleratori di particelle convenzionali. Effettuando simulazioni di collisioni di raggi cosmici in modo analogo alle collisioni di particelle all’Lhc del Cern, i ricercatori hanno ottenuto un fascio persistente di monopoli leggeri che piovono su diversi esperimenti terrestri.

Utilizzando i dati d’archivio di tre esperimenti condotti a Lhc e combinandoli con il flusso di monopoli provenienti da collisioni atmosferiche di raggi cosmici, i ricercatori sono riusciti a stabilire limiti robusti sulla sezione d’urto di produzione di monopoli magnetici nell’intervallo di massa 5-100 TeV. In futuro, concludono i ricercatori nell’articolo, una ricerca dedicata da parte di IceCube potrebbe potenzialmente stabilire i migliori limiti sulle masse dei monopoli superiori a 5 TeV che si trovano al di fuori della portata degli attuali collisori.

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