Magneettisia monopoleja ja muita eksoottisia hiukkasia

Magneettiset monopolit ovat hiukkasia, jotka tavallisesta magneetista poiketen omaavat vain yhden navan – niillä on joko pohjois- tai etelänapa, mutta ei molempia. Ne eivät ole kuitenkaan hiukkasia, jotka synnyttäisivät magnetismin – tämä johtuu sähkövarauksellisten hiukkasten liikkeestä ja alkeishiukkasten magneettisesta momentista. Magneettisia monopoleja ei ole havaittu, mutta useat teoriat ennustavat hiukkasten olemassaolon.

Fysiikan tutkimuslaitos on mukana Cernin MoEDAL-kokeessa [1], joka etsii magneettisia monopoleja ja muita eksoottisia hiukkasia LHC-kiihdyttimellä. MoEDAL poikkeaa muista kiihdyttimelle asennetuista kokeista sillä, että se koostuu pääosin passiivisista ilmaisimista. Kokeen ilmaisimet ovat magneettisten monopolien loukku -ilmaisimet (Magnetic Monopole Trapper, MMT), sekä ydinjälki-ilmaisimet (Nuclear Track Detector, NTD) [2].

MoEDAL-kokeen monopoliloukut ja ydinjälki-ilmaisimet aseteltuina LHC-kiihdyttimen törmäyspiste 8:n ympäristöön. Kuvan keskellä on LHCb-kokeen VELO-ilmaisin (Kuva: MoEDAL-kollaboraatio).

Monopoliloukut ovat alumiiniharkkoja, joita on kasattu eri puolille hiukkassuihkujen törmäyspistettä. Alumiinilla on suuri magneettinen ydinmomentti, joten se voi kaapata ohi kulkevan monopolin sisäänsä. LHC:in ajojen päätyttyä törmäyksille altistetut harkot analysoidaan herkällä magnetometrillä, joka kykenee havaitsemaan monopolin tuottaman poikkeaman alumiinin magneettisissa ominaisuuksissa. Monopolin loukkuuntuminen harkkoon on käytännössä pysyvä, joten mikäli magnetometri havaitsisi poikkeaman harkon ominaisuuksissa, voitaisiin se kuljettaa analysoitavaksi toisilla laitteilla, joiden myös tulisi antaa samanlainen signaali.

Vasemmalla esimerkki laatikoista, joita on kasattu monopoliloukkujen sisään. Oikealla LHC-ympäristöön asennettu loukku, joka sisältää 14–18 laatikkoa (Kuva: MoEDAL-kollaboraatio).

Ydinjälki-ilmaisimet ovat tavallisia muovikalvoja, joita on pinottu päällekkäin. Altistettaessa säteilylle, varatut hiukkaset rikkovat muovin molekyyliketjuja kulkiessaan kalvojen lävitse. Etsaamalla, eli sijoittamalla säteilytetty kalvo esimerkiksi lämpimään lipeäliuokseen, tulevat vauriot esiin kartiomaisina kuoppina. Kuoppien halkaisija ja syvyys on riippuvainen läpikulkeneen hiukkasen massasta, energiasta ja varauksesta. Lisäksi kuopan pyöreydestä voidaan arvioida hiukkasen tulokulma.

Ydinjälki-ilmaisimia käytetään yleisesti esimerkiksi säteilyannosmittareina tai hiukkassuihkujen ominaisuuksia tutkittaessa. Kalvojen jälkiä voidaan tutkia ja mitata tavallisella mikroskoopilla. LHC-ympäristössä säteilyntaso on kuitenkin niin suurta, että ilmaisimet saturoituvat. Tällöin kalvojen jälkikäsittelystä ja analysoinnista tulee huomattavasti monimutkaisempaa ja vaikeampaa. Tämän vuoksi jälkien analysointiin tarvitaan erilaisia konenäkömenetelmiä, sekä koneoppimista, kuten esimerkiksi neuroverkkoja. Ilmaisinlaboratorion puhdastiloissa sijaitseekin laitteisto, jota hyödynnetään jälki-ilmaisimien analysoinnissa.

Fysiikan tutkimuslaitoksen Ilmaisinlaboratorion optinen kuvantamislaitteisto skannaamassa ydinjälki-ilmaisinta, sekä laitteistolla otettu kuva kalvosta, joka on altistettu sekä LHC-ympäristölle, että lyijyionisuihkulle. Kuva kattaa noin 1 mm × 0.8 mm kokoisen alueen kalvosta. Lyijyionien tekemät jäljet erottuvat pyöreinä jälkinä ja niiden hajoamistuotteet mustina. Muut jäljet ovat peräisin LHC:in säteily-ympäristöstä.

Vaikka LHC:in hiukkassuihkut ovat pääosin protonisuihkuja, on laitteen aikataulussa varattu aika myös raskasionisuihkujen käyttöön kiihdyttimellä. Tällöin laitteistolla kiihdytetään ja törmäytetään lyijyioneja. Nobelin fysiikanpalkinnon saanut yhdysvaltalaistutkija Julian Schwinger osoitti, että sähköisesti varattuja hiukkasia voi syntyä voimakkaassa sähkökentässä. Samalla tavalla myös voimakas magneettikenttä voisi synnyttää magneettisia monopoleja.

MoEDAL-kokeen uusimmassa Nature-lehdessä julkaistussa tutkimustuloksessa tarkasteltiin mahdollisuutta havaita magneettisia monopoleja raskasionitörmäysten seurauksena [3]. Vuoden 2018 lyijy-lyijy –törmäyksissä ionien välinen magneettikentän voimakkuus saattoi kohota jopa 1016 teslaan. Tämä on voimakkuudeltaan noin 33 tuhatta biljoonaa kertaa voimakkaampi kuin magneetit, joita käytetään esimerkiksi magneettikuvantamisessa. Julkaistu tutkimus on ensimmäinen, jossa mekanismia hyödynnetään magneettisten monopolien etsimisessä.   Yhdistämällä kokeen simulaatiomallit alumiiniharkkojen mittaamisiin kyettiin saatujen tulosten avulla pienentää aluetta, josta monopoleja ja muita eksoottisia hiukkasia voidaan etsiä hiukkaskiihdyttimillä. Lisäksi tulosten perusteella voidaan suunnitella uusia mittauksia hyödyntäen käytettyä mekanismia ja etsiä jälkiä myös muista harvinaisista vuorovaikutuksista.

Taiteilijan näkemys lyijy-lyijy törmäyksissä syntyvästä monopoliparista. Monopolit syntyvät pareittain, jolloin toisella hiukkasella on pohjois- ja toisella etelänapa (Kuva: James Pinfold, MoEDAL-kollaboraatio).

MoEDAL-koe ei ole vielä havainnut magneettisia monopoleja tai muita eksoottisia hiukkasia, mutta mittauksia jatketaan LHC-kiihdyttimellä tämän vuoden aikana alkavilla ajoilla. Monopoliloukkujen ja jälki-ilmaisimien lisäksi uutena kokeeseen liitetään aktiivinen tuikeilmaisimista koostuva MAPP-ilmaisin, jonka tavoitteena on havaita hiukkasia, joiden sähkövaraus voi olla vain murto-osa elektronin varauksesta. Ilmaisinta ollaan parhaillaan asentamassa yhteen LHC:in sivutunneliin noin sadan metrin päähän törmäyspisteestä. Tullakseen havaituksi tuikeilmaisimilla, törmäyspisteessä syntyvien hiukkasten tulee läpäistä noin 40 metriä kalliota ja betonia.

Monte Carlo -simulaatio millielektronivoltin hiukkasten kulkeutumisesta MAPP-mCP -ilmaisimelle.

Matti Kalliokoski
Yliopistotutkija
Fysiikan tutkimuslaitos

[1] MoEDAL-MAPP Experiment, https://moedal.web.cern.ch/.
[2] B. Acharya et al., Search for Magnetic Monopoles with the MoEDAL Forward Trapping Detector in 13 TeV Proton-Proton Collisions at the LHC, Physical Review Letters 118 (2017) 061801
(https://arxiv.org/abs/1611.06817)
[3] B. Acharya et al., Search for magnetic monopoles produced via the Schwinger mechanism, Nature 602 (2022) 7895, p. 63-67 (https://arxiv.org/abs/2106.11933)

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *