回望尋找磁單極子的漫漫迷路

楊建強(qiáng)

(積石山縣第一中學(xué) 甘肅 積石山 731700)

1864年，麥克斯韋對(duì)隨時(shí)間變化的電磁場，引入位移電流后，總結(jié)出了如下方程組

▽·D=ρ

(1)

(2)

▽·B= 0

(3)

(4)

1931年，著名的英國物理學(xué)家狄拉克首先從理論上用極精美的數(shù)學(xué)物理公式預(yù)言，磁單極子是可以獨(dú)立存在的．這樣，電磁現(xiàn)象的完全對(duì)稱性就可以得到保證．因此，他根據(jù)電動(dòng)力學(xué)和量子力學(xué)的合理推演，前所未有的把磁單極子作為一種新粒子提出來．不僅使麥克斯韋方程具有完全對(duì)稱的形式，而且根據(jù)磁單極子的存在，電荷的量子化現(xiàn)象也可以得到解釋．他研究了一個(gè)電子在磁單極子的磁場中的運(yùn)動(dòng)，得出了磁單極子的磁荷量與電子的電荷量的關(guān)系式

(5)

(6)

g0比基本電荷e大得多，這是磁單極子的一個(gè)重要特性．因?yàn)檫@意味著異性磁荷之間的吸引力，比起異性電荷之間的吸引力要強(qiáng)得多，必須在很強(qiáng)的外力作用下才能把成對(duì)的相反磁荷分開．狄拉克認(rèn)為這就可以解釋為什么電子早已發(fā)現(xiàn)，而磁單極子卻難以找到．

隨著磁單極子的提出，科學(xué)界由此掀起了一場尋找磁單極子的狂潮．人們絞盡腦汁，采用了各種各樣的方法，去尋找這種理論上的磁單極子．目前，從實(shí)驗(yàn)上探測磁單極子主要有三個(gè)方面：一是古老巖石的觀測；二是高能加速器的實(shí)驗(yàn)；三是宇宙線的觀測．

1 古老巖石的觀測

如果磁單極子的含量很少，則異號(hào)磁單極子復(fù)合湮沒的幾率也很低，假定磁單極子是穩(wěn)定而不衰變的話，它們就有可能長期地存儲(chǔ)起來．這樣，就有可能在地球上的古老巖石中或者在天外降落的隕石和其他天體的巖石里探測到磁單極子．到目前為止，已經(jīng)采用過兩種探測方法：一種是用強(qiáng)磁場抽吸古老巖石中的磁單極子，再用核乳膠板或閃爍計(jì)數(shù)器探測；另一種是直接觀測磁單極子在古老巖石中留下的特征徑跡．

這類實(shí)驗(yàn)在1963年是由日本東京大學(xué)物理學(xué)家后藤(E.Goto)提出和進(jìn)行的．

圖1 Goto實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖1為后藤實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖．在實(shí)驗(yàn)用的核乳膠中沒有發(fā)現(xiàn)可與理論上預(yù)言的磁單極子能量損失率比較的徑跡．實(shí)驗(yàn)得到的面積乘時(shí)間因子約為1013cm2·s．由此得到在宇宙線中磁單極子流強(qiáng)上限約為10-13磁單極子/cm2·s．

由于拔取磁單極子所需的磁場強(qiáng)度是隨磁單極子所帶的磁荷增加而增加的，故后藤的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)有限的磁場所能探測的磁荷的范圍是有限的．另外，所能探測的磁單極子的質(zhì)量也是有限的．這是因?yàn)樵谟邢薮笮〉拇艌鲋写艈螛O子所能獲得的能量是有限度的．如果磁單極子的靜止質(zhì)量大于某個(gè)限度，它的運(yùn)動(dòng)速度就可能太慢，以至失去了它的高電離的特性．這時(shí)無法用核乳膠、塑料片等固體徑跡探測器探測磁單極子了．一般這方法可探測的磁單極子的質(zhì)量不超過105GeV．

1971年，艾韋斯(L. W. Alvarez)等人利用超導(dǎo)回路制成磁單極子探測器．這種探測器與固體徑跡探測器不同，它對(duì)所探測的粒子的質(zhì)量和速度沒有限制，只要粒子帶有磁荷就可以被探測到．這種探測器的原理圖如圖2所示．

圖2 Alvarez實(shí)驗(yàn)裝置

這種方法雖然對(duì)所探測的磁單極子在磁荷和質(zhì)量的大小上沒有限制，但還是沒有找到磁單極子．表1中列出了這方面的部分結(jié)果．

表1固態(tài)物質(zhì)中的極限磁單極子濃度

物 質(zhì)試樣質(zhì)量/克磁單極子上限(90%可信度)個(gè)/核子可探測磁荷范圍山磁性露天礦南太平洋和大西洋底錳礦瘤北大西洋底錳地殼鐵隕石商品鋼海月巖洋底沉積物^5×10331.57.7×103^1026.58.3×103^1.5×106^8×10-281.3×10-255.2×10-28^4×10-266×10-254.8×10-28^3×10-31<1^3<1^120<1^60<1^∞10-3^∞<1^∞1/6^200

2 高能加速器的實(shí)驗(yàn)

自從1932年科克勞夫和華爾頓制成了第一臺(tái)用來加速微觀粒子的高能加速器之后，科學(xué)家們便把尋找磁單極子的視線轉(zhuǎn)移到高能加速器上．

1953年，美國布魯克海文實(shí)驗(yàn)室就利用同步回旋加速器，使3×1010eV的質(zhì)子與輕原子核碰撞，但是沒有發(fā)現(xiàn)有磁單極子產(chǎn)生的跡象．從上世紀(jì)50年代以來，曾不斷利用各種高能加速器進(jìn)行磁單極子的實(shí)驗(yàn)，但迄今尚未獲得肯定的結(jié)果．表2中列出這方面的部分結(jié)果．目前未能在高能加速器中觀測到磁單極子的原因，一般認(rèn)為是能量尚不夠高的緣故，即磁單極子的n和質(zhì)量都較大．

表2 磁單極子的高能加速器研究結(jié)果

*括號(hào)內(nèi)為可信度.

3 宇宙線的觀測

如果目前高能加速器的能量還不足以產(chǎn)生磁單極子時(shí)，那就需要求助于更高能量的宇宙線．已觀測到能量達(dá)1020eV或更高能的宇宙線，原則上應(yīng)可產(chǎn)生質(zhì)量約105mp的磁單極子．但隨著能量的增大，粒子數(shù)減少，因而高能粒子相互作用的幾率也急劇下降．這給實(shí)驗(yàn)觀測增加了很大的困難．從宇宙線中觀測和尋找磁單極子的物理基礎(chǔ)有兩方面：一方面是宇宙線本身可能包含著磁單極子的成分，它們受星際磁場加速，其能量可達(dá)1017eV，或更高一些；另一方面是高能宇宙線與高空大氣的原子、離子、分子等相碰撞而產(chǎn)生磁單極子，它們或沿著地磁場到達(dá)地面存儲(chǔ)在巖石中，或離開地球逃逸到空間．為了探測這些磁單極子，可以利用核乳膠或其他電離探測器在高空或地面進(jìn)行較長時(shí)間的觀測．

1951年，馬爾克斯(W. V. R. Malkus)設(shè)計(jì)了在宇宙射線中尋找磁單極子的裝置．如圖3．

圖3 Malkus實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)中沒有發(fā)現(xiàn)磁單極子的徑跡，只得到宇宙線中磁單極子的流強(qiáng)上限：小于10-10/cm2·s．

1973年，美國加州福尼亞大學(xué)、休斯頓大學(xué)的普賴斯(P.B.Price)等人，用氣球?qū)⑶袀惪品蜉椛淦?Cerenkov Radiator)、乳膠片和由33層聚碳酸酯薄片組成探測系統(tǒng)送到空氣極其稀薄的40 km的高空．如圖4．

圖4 Price實(shí)驗(yàn)用徑跡探測器端面示意圖

經(jīng)過2.6天后收回探測器．他們對(duì)探測器中的粒子徑跡分析后，宣稱發(fā)現(xiàn)了一個(gè)磁單極子的徑跡，這個(gè)磁單極子帶有2g0磁荷，質(zhì)量至少為質(zhì)子質(zhì)量的200倍． 這個(gè)結(jié)果在1975年發(fā)表后曾引起很大轟動(dòng)．后來，普賴斯等人又重新仔細(xì)的處理了數(shù)據(jù).1978年他們重新發(fā)表了修正的數(shù)據(jù)和結(jié)果，承認(rèn)了1973年得到的那個(gè)徑跡可能是某些其他類帶電粒子或原子核產(chǎn)生的，而不是磁單極子留下的．

1982年，斯坦福大學(xué)物理學(xué)家凱布雷拉(B.Cabrera)宣稱，當(dāng)年2月14日在他的磁單極子探測器中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)帶單位磁荷的粒子的事例．這是他在經(jīng)過151天連續(xù)觀察后得到的唯一的一個(gè)事例．

凱布雷拉使用的是與艾韋斯(L. W. Alvarez)等人用的相似的裝置，凱布雷拉給出穿過地球表面的磁單極子流強(qiáng)的上限為0.53 m-2·Sr·d-1．

這只是某種巧合，還是真正有一個(gè)磁單極子通過了凱布雷拉的實(shí)驗(yàn)裝置的接收線圈，這還有待于進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證．凱布雷拉自己也強(qiáng)調(diào)他所報(bào)道的只是一個(gè)有趣的事例，而不能認(rèn)為是確鑿的發(fā)現(xiàn)．其他關(guān)于尋找磁單極子的實(shí)驗(yàn)略．

2003年，中國科學(xué)院學(xué)者方忠首次提出其實(shí)質(zhì)上相應(yīng)于倒空間的一種磁單極子存在形式．方忠研究員通過從頭計(jì)算的方法，直接計(jì)算了SrRuO3中的反常霍爾系數(shù)，并與日本著名科學(xué)家十倉好紀(jì)領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)小組測量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，得到了一致的結(jié)果．從而有力的證明了磁單極子存在于晶體的動(dòng)量空間中，此研究工作已發(fā)表在同年10月3日的美國《科學(xué)》雜志上．

幾十年來關(guān)于磁單極子的探索研究，從山上露天巖石到洋底沉積礦物，從隕石到月巖，真是“上窮碧落下黃泉”，但是都未能找到磁單極子．這是為什么呢？可能的原因有：(1)對(duì)磁單極子認(rèn)識(shí)尚不夠，因而實(shí)驗(yàn)方案需要改進(jìn)；(2)磁單極子結(jié)合能太高，目前實(shí)驗(yàn)的能量尚不足以產(chǎn)生磁單極子對(duì)；(3)自然界的磁單極子含量太少，目前的實(shí)驗(yàn)探測方法還不能探測到；(4)如果式(5)中n=0就不存在磁單極子．由(1)～(3)點(diǎn)看，磁單極子的實(shí)驗(yàn)研究是仍需繼續(xù)進(jìn)行的．由第(4)點(diǎn)看，磁單極子的理論研究也是刻不容緩的．總之，以上實(shí)驗(yàn)都未能擺脫實(shí)物粒子的框架．這就需要物理學(xué)家在磁單極子的理論發(fā)展中開辟新的途徑，在實(shí)驗(yàn)儀器的種類和性能上要有新的突破．深信在物理學(xué)家堅(jiān)持不懈的努力下，磁單極子在不久的將來會(huì)顯現(xiàn)于世人面前．