Magnetiline monopoolus

Enne 20. sajandit

Mitmed varajased teadlased põhjendasid magnetiitide magnetvälja olemasolu kahe eri liiki "magnetilise vedelikuga" (effluvia). Ühes otsas oli põhjapooluse-vedelik ning teises lõunapooluse-vedelik, mis tõukusid ning tõmbusid analoogselt positiivsete ja negatiivsete elektrilaengutega. 19. sajandil toimunud arengud elektromagnetismi teoorias viisid arusaamani, et magnetiitide magnetismi kirjeldab õigesti Ampère'i seadus, mitte aga magnetilised monopoolus-vedelikud. Gaussi magnetismi seadus, üks Maxwelli võrranditest, iseloomustab matemaatiliselt magnet-monopooluste puudumist. Sellele vaatamata näitas 1894. aastal Pierre Curie, et taolised monopoolused võivad põhimõtteliselt eksisteerida, kuigi neid ei olnud selleks ajaks katseliselt vaadeldud.

20. sajand

Magnetlaengu kvantmehaaniline käsitlus sai alguse füüsik Paul A. M. Diraci 1931. aastal ilmunud artikliga, milles Dirac näitas, et kui universumis peaks leiduma mõnigi magnetiline monopoolus, siis peab kogu olemasolev elektrilaeng olema kvantiseeritud. Elektrilaeng on tõepoolest kvantiseeritud, mis on küll kooskõlas monopooluste olemasoluga, kuid ei ole piisav selle tõestamiseks.
Pärast Diraci artikli avaldamist on läbi viidud mitmeid süstemaatilisi magnetiliste monopooluste otsinguid. 1975. ja 1982. aastal sooritatud eksperimentides leiti sündmusi, mida tõlgendati monopoolustena, kuid tänapäeval ei peeta neid piisavalt usaldusväärseteks. Seega monopooluste võimalik olemasolu on tänaseni lahtine. Edasised arengud teoreetilise osakestefüüsika vallas, eriti arengud suure ühenduse ja kvantgravitatsiooni teooriates on toonud esile veelgi kaalukamaid argumente magnetiliste monopooluste olemasolu kasuks. Stringiteooriat uuriv Joseph Polchinski on monopooluste eksistentsi iseloomustanud kui "üht kindlaimat kihlvedu, mida võib seninägemata füüsika kohta teha." Toodud teooriad ei ole eksperimentaalsete tulemustega tingimata vastuolus. Mõne teooria kohaselt on magnetiliste monopooluste leidmine ebatõenäoline, kuna monopooluse mass on liialt suur tema tekitamiseks osakestekiirendis ning samuti eksistents universumis liiga haruldane, et neid osakeste detektoris arvestatava tõenäosusega registreerida.
Mõnedes kondensaine süsteemides luuakse struktuure, mis paistavad vähemalt pinnapealselt magnetiliste monopooluste sarnastena – neid nimetatakse vootorudeks (flux tube). Vootoru otsad moodustavad monopoolused, kuid kuna nende nihutamine on võimalik teineteisest sõltumatult, võib neid tinglikult pidada sõltumatuteks magnetilisteks monopoolus-kvaasiosakesteks. Alates 2009. aastast on mitmed populaarteaduslikud väljaanded taolisi süsteeme ekslikult kirjeldanud kui kauaoodatud magnetiliste monopooluste avastamist, kuid tegu on kahe vaid pinnapealselt võrreldava nähtusega. Sellele vaatamata on taoliste kondensaine süsteemide näol tegemist aktiivse uurimissuunaga.

Poolused ja magnetism tavapärases aines

Kogu ainel, mida seni oleme vaadelnud – hõlmates kõiki aatomeid perioodilisussüsteemis ning kõiki osakesi standardmudelis – puudub igasugune magnetmonopoolus-laeng. Tavapärasel magnetismi ja magnetite nähtusel ei ole monopoolustega midagi pistmist. Selle asemel on tavaaines magnetismi tekkeks kaks allikat: esiteks tekivad magnetväljad elektrivoolust, vastavalt Ampère'i seadusele ning teiseks on mitmetel elementaarosakestel teatav loomupärane magnetmoment (näiteks elektroni spinni põhjustatud elektroni magnetiline dipoolmoment).
Matemaatiliselt kirjeldatakse magnetvälja tihtipeale multipoolarendusena, mis esitab välja mitme komponendi summana. Arenduse esimest liiget nimetatakse monopool-liikmeks, teist dipool-liikmeks ning edasi kvadrupool- ning oktapool-liikmed jne. Kui elektrivälja multipoolarenduses võivad esineda kõik need liikmed, siis magnetvälja korral on monopool-liige alati null (tavaaine korral). Kui magnetiline monopoolus tõepoolest eksisteerib, siis tema tekitatava magnetvälja multipoolarenduse monopool-liige oleks nullist erinev.
Magnetdipooli magnetvälja kirjeldab hea täpsusega multipoolarenduse dipool-liige. Nagu dipooli nimi viitab, on sellel kaks poolust – ühes otsas põhja- ja teises lõunapoolus – mis on analoogne elektridipooliga (ühes otsas positiivne ning teises negatiivne elektrilaeng). Sellele vaatamata on magnetiline ja elektriline dipool olemuslikult erinevad. Tavaainest elektridipooli positiivse laengu moodustavad prootonid ja negatiivse elektronid, samas kui magnetdipooli kaks poolust ei moodustu kahtedest eri liiki osakestest. Mõlemad magnetpoolused tekivad koos ja samaaegselt ning on põhjustatud kõigist magnetis esinevatest voolust ja sisemistest momentidest tingitud nähtustest. Siit järeldub, et magnetdipooli poolused on alati võrdse ja vastasmärgilise väljatugevusega ning neid on võimatu teineteisest eraldada.

Suure ühenduse teooriad

1970. aastate alguses tehti suuri samme kvantväljateoorias ja kalibratsiooniteoorias, elektronõrga teooria ja tugeva vastastikmõju arendamise käigus, mille tulemusel asusid paljud teoreetikud proovima neid ühte teooriasse kombineerida – suure ühenduse teooria (SÜT). Pakuti mitmeid SÜT-sid, enamik millest viitasid reaalse magnetilise monopooluse olemasolule. Täpsemalt, need teooriad ennustasid hulka osakesi, mida nimetati düüoniteks ning mille kõige algsem olek on magnetmonopoolus.
Suurem enamus kvantväljateooriates esinevatest osakestest on ebastabiilsed ning lagunevad teisteks osakesteks mitmetel jäävusseadustega kooskõlas olevatel viisidel. Osakesed on stabiilsed, kui neil puudub viis jäävusseadusi rikkumata veel kergemateks osakesteks laguneda. Näiteks elektroni puhul on nii leptonarv kui elektrilaeng võrdsed ühega ning puuduvad veel kergemad osakesed, mille jaoks need suurused on jäävad. Samas näiteks müüon, mis on olemuselt kui raske elektron, võib laguneda elektroniks ja kaheks energiakvandiks ning on seetõttu ebastabiilne.
SÜT-des esinevad düüonid on samuti stabiilsed, kuid seda teistel põhjustel. Düüonite teke oli eeldatavasti varajase universumi keskkonna "kinnistumise" ("freeze out") – sümmeetria rikkumise – kõrvalnähtus. Selle stsenaariumi järgi tekivad düüonid vaakumi teatud konfiguratsiooni korral mingis ruumipiirkonnas, vastavuses algse Diraci teooriaga. Nad on stabiilsed, kuna puuduvad veel lihtsamad topoloogilised olekud, kuhu neil oleks võimalik laguneda.
Taolise vaakumi konfiguratsiooni ruumimõõdet nimetatakse süsteemi korrelatsioonipikkuseks, mis ei saa olla suurem, kui põhjuslikkus lubab. Seetõttu peab magnetiliste monopooluste loomiseks vajalik korrelatsioonipikkus olema vähemalt sama suur, kui paisuva universumi meetrika määratud horisondi mõõtmed. Selle loogika järgi peaks eksisteerima iga horisondiruumi kohta vähemalt üks magnetiline monopoolus, nagu see oli siis kui sümmeetria rikkumine aset leidis.
Suurele Paugule vahetult järgnevate sündmuste kosmoloogilised mudelid sisaldavad teatud eeldusi taolise horisondiruumi kohta. Neist eeldustest lähtuvalt on võimalik oletada monopooluste ruumtihedust. Algsed mudelid näitasid tohutusuurt monopooluste hulka, mis oli selges vastuolus katsetest saadud tulemustega. Seda nimetati "monopooluse probleemiks," mille hiljem laialdaselt aktsepteeritud lahend ei saabunud mitte seetõttu, et muudeti osakestefüüsika arusaama monopoolustest, vaid kuna kohandati algseid kosmoloogilisi mudeleid, millest saame hinnata monopooluste tänapäevast esinemissagedust. Täpsemalt, nüüdisaegsemad kosmoloogilise inflatsiooni teooriad vähendavad magnetiliste monopooluste eeldatavat esinemissagedust sel määral, et nende senine eksperimentaalse registreerimise ebaedu ei ole imekspandav. Taolist lahendust "monopooluse probleemile" peetakse inflatsiooniteooria võiduks. (Mõistagi, tegu on edulooga vaid juhul, kui osakestefüüsika eeldus magnetilisest monopoolusest peab paika.) Neil põhjustel sai monopoolustest 1970. ja 1980. aastatel suur uurimisvaldkond, paralleelselt teiste SÜT ennustustega, mille vaatlemine võiks olla ka realistlik, nagu näiteks prootoni lagunemine kergemateks subatomaarseteks osakesteks.
Mitmete teiste SÜT ennustatud osakeste vaatlemine on aga väljaspool teaduse kaasaegset eksperimentaalset võimekust. Näiteks eeldatakse, et elektronõrga ja tugeva vastasmõju omavahelist interaktsiooni vahendab suur osakesteklass, mida nimetatakse X- ja Y-bosoniteks, kuid need osakesed on äärmiselt suure massiga ning nende vaatlemine kindlalt väljaspool ka kõige võimsamate osakestekiirendite võimekust.

Magnetiliste monopooluste otsingud

Monopooluste vaatlemiseks on läbi viidud mitmeid eksperimente. Üks lihtsamaid neist kujutab endast ülijuhtiva traadi abil ka kõige pisemate magnetiliste allikate otsimist. Seda nimetatakse ülijuhtivaks kvantinterferentsseadeks ehk skviidiks (SQUID). Arvestades monopooluste eeldatavat ruumtihedust, võiksid laborilauale mahtuvad skviidid registreerida keskmiselt ühe sündmuse aastas. Kuigi on vaadeldud ärevusttekitavaid sündmusi, eriti Blas Cabrera poolt 14. veebruaril 1982 registreeritud sündmus (nn valentinipäeva monopoolus), ei ole tänase päevani õnnestunud leida magnetpooluste olemasolu kohta reprodutseeritavaid tõendeid. Taoliste sündmuste puudumine on seadnud monopooluste hulga ligikaudseks piiriks ühe monopooluse 10²⁹ nukleoni kohta.
1975. aastal P. Buford Price'i juhitud tiimi eksperimendi järel kuulutati liikuva magnetilise monopooluse avastamist kosmilisest kiirgusest. Hiljem aga võttis Price oma väite tagasi ning võimaliku alternatiivse selgituse käis välja Luis W. Alvarez. Alvarez demonstreeris oma artiklis, et registreeritud kosmilise kiirguse sündmuse trajektoori, mille väidetavalt jättis magnetiline monopoolus, võib reprodutseerida plaatina tuumaga, mis laguneb esmalt osmiumiks ning seejärel tantaaliks.
Osa eksperimente lähtuvad teadmisest, et monopoolused, nagu ka kõik elektriliselt laetud osakesed on vastastikmõjus footonitega. Footonite vahetamisega seotud eksperimentides osakestekiirendites peaks põhimõtteliselt tekkima arvestatav hulk monopoolused, mida siis detekteeritakse mõõtes nende mõju footonite hajumisele. Taolises eksperimendis osakese tekitamise tõenäosus on võrdeline tema massiga – suurema massiga osakene tekib väiksema tõenäosusega – seega saab eksperimentide tulemustest lähtuvalt seada võimalikud piirid magnetiliste monopooluste massile. Üks viimaseid eksperimente näitas, et alla 600 GeV/c² massiga monopoolusi ei eksisteeri. Massi ülemise piiri seab universum – kui monopooluse mass oleks suurem kui 10¹⁷ GeV/c², siis oleks universum kollapseerunud.
LHC-s on üles seatud MoEDAL-i eksperiment, mille eesmärgiks on otsida magnetilisi monopoolusi ja suuri supersümmeetrilisi osakesi, kasutades selleks mitmeid LHCb eksperimendi VELO detektorit ümbritsevatele seintele kinnitatud erilisi plastikkihte. Otsitavad osakesed kahjustavad oma teel neid kihte, jättes seeläbi mitmeid analüüsitavaid jälgesid.
Vene astrofüüsik Igor Novikov viitab võimalusele, et magnetilistest monopoolustest moodustuvad makroskoopiliste mustade aukude magnetväljad, mis on seeläbi Einstein–Roseni silla alguseks.

"Monopoolused" kondensainesüsteemides

Alates aastast 2003 on mitmed kondensainefüüsika töörühmad kasutanud "magnetilise monopooluse" mõistet kirjeldamaks üht teist põhimõtteliselt erinevat nähtust.
Tõelise monopooluse näol oleks tegemist uue elementaarosakesega, mis rikuks Gaussi lauset magnetväljade kohta . Sedalaadi osakest, mis aitaks selgitada 1931. aastal Paul Diraci sõnastatud laengu kvantiseeritust, ei ole tänase päevani vaadeldud.. Sedalaadi osakest, mis aitaks selgitada 1931. aastal Paul Diraci sõnastatud laengu kvantiseeritust, ei ole tänase päevani vaadeldud.
Kondensaine töörühmade poolt uuritavatel monopoolustel need omadused puuduvad. Tegu ei ole uue elementaarosakesega, vaid pigem igapäevaste osakeste (prootonid, neutronid, elektronid, footonid) koosmõjul esineva nähtusega. Teisisõnu, tegemist on kvaasiosakestega. Nad ei ole magnetvälja allikaks (ei riku  seadust), vaid hoopis allikaks teistele väljadele, nagu H-väli või B*-väli, mis on seotud ülivoolava vedeliku kvantiseeritud keeristega. Neil puudub arvestatav seos Suure Ühenduse teooriatega või ka osakestefüüsika muude aspektidega ega aita selgitada laengu kvantiseeritust – välja arvatud see, et analoogiliste olukordade uurimise abil on võimalik kinnitada matemaatiliste alustalade õigsust.
Kondensainefüüsikast on mitmeid näiteid, kus osakeste kollektiivsete mõjude tulemusel ilmnevad magnetmonopooluste-sarnased nähtused, peamiselt spinn-jää materjalides. Kuigi neid ei tohi kindlasti segamini ajada hüpoteetiliselt vaakumis eksisteerivate magnetmonopoolus-osakestega, on neil sellegipoolest sarnaseid omadusi ja neid võib uurida sarnaste võtete abil.
Mitmed uurijad kasutavad monopoolus-kvaasiosakeste spinn-jääs käsitlemisele mõeldes terminit magnekter (magnet-elekter, ingl k magnetricity), analoogselt sõnaga "elekter."
Üks näide taoliste kvaasiosakeste uurimusest on Science ajakirjas aastal 2009 avaldatud artikkel, milles J. Morris ja A. Tennant Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie uurimuskeskusest, S. Grigera Vedelike ja Bioloogiliste Süsteemide Füüsika Instituudist Argentinas ning teised teadlased Dresdeni Tehnikaülikoolist, Saint Andrewsi Ülikoolist ja Oxfordi Ülikoolist kirjeldasid monopooluselaadsete kvaasiosakeste vaatlemist. Katse käigus viidi düsproosium-titanaadist spinn-jää kristall temperatuurini 0,6–2,0 Kelvinit. Neutronite hajumise jälgimisel täheldati, et magnetmomendid liituvad tubulaarsete kimpudena, mis meenutavad Diraci stringe. Iga taolise torukese otsa moodustub kristallograafiline defekt, mida ümbritsev magnetväli meenutab magnetilise monopooluse välja. Välise magnetvälja abil rikuti süsteemi sümmeetria, mis võimaldas uurijatel varieerida kimpude tihedust ja orientatsiooni. Töös uuriti ka kvaasiosakeste, mida võis vaadelda kui pilve või teatud gaasina, mõju süsteemi soojusmahtuvusele.
Selle uurimuse eest saadi 2012 aastal auhind Europhysics Prize for condensed matter physics
Teiseks näiteks on 2011 veebruaris Nature Physics ajakirjas ilmunud artikkel, mis kirjeldab pikema elueaga magnetmonopoolus-kvaasiosakeste voolude teket ja mõõtmist spinn-jääs. 0.36 K temperatuuril düsproosiumtitanaadist kristallile rakendati impulssrežiimis magnetväli, millega saavutati relakseeruv magnetvool, mis säilis mitmeid minuteid. Vool mõõdeti solenoidis indutseeritud elektromotoorjõu kaudu ning selle kvantitatiivseks kirjeldamiseks kasutati Onsageri-Wieni laengukandjate dislokatsiooni ja rekombinatsiooni mehhanismile alluvate punktlaengute keemilis-kineetilist mudelit. Seeläbi tuletati spinn-jääs monopooluste liikumisi iseloomustavad mikroskoopilised parameetrid ning fikseeriti vabade ja seotud magnetlaengute rollid.
Ülivoolavates vedelikes avaldub B*-väli, mida seostatakse ülivoolates vedelikes tekkivate kvantiseeritud keeristega (superfluid vorticity) ning mis on matemaatiliselt analoogilised magnetväljaga B. Selle sarnasuse tõttu nimetatakse B*-välja "sünteetiliseks magnetväljaks." 2014 jaanuaris anti teada, et spiinorruumi Bose-Einsteini kondensaadis loodi ja uuriti B*-välja monopooluselisi kvaasiosakesi. Selle näol on tegemist esimese juhuga, kus magnetilist monopoolust vaadeldi kvantväljateooriaga kooskõlalises süsteemis.