Tìm kiếm đơn cực từ: cơ sở lý thuyết và thực nghiệm

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TSKH. LÊ VĂN HOÀNG TP. HỒ CHÍ MINH – NĂM 2011 LỜI CẢM ƠN Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lê Văn Hoàng, người đã tận tình hướng dẫn, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Tôi xin gởi lời tri ân đến quý thấy cô Khoa Vật Lý – Trường ĐHSP. TP. HCM đã tận tình giảng dạy, trạng bị những kiến thức quý báu cho tôi trong suốt những năm học vừa qua. Sự tận tụy của thầy cô là tấm gương để tôi suốt đời noi theo và phấn đấu cho sự nghiệp giáo dục. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả bạn bè đã giúp đỡ, động viên, khích lệ tôi trong suốt quá trình làm luận văn cũng như những năm tháng trên giảng đường đại học. Cuối cùng tôi không thể thể hiện hết sự biết ơn của tôi đối với gia đình, ba, mẹ, các anh chị đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cả về vật chất lẫn tinh thần giúp tôi vững tâm học tập trong suốt những năm học đại học cũng như trong suốt thời gian tôi làm luận văn. Xin gửi lời chúc sức khỏe đến thầy cô, gia đình và bạn bè. TP. Hồ Chí Minh, ngày 29-4-2011 Nguyễn Thị Ngọc Hằng MỤC LỤC 20TLỜI CẢM ƠN20T ........................................................................................................... 0 20TMỤC LỤC20T ................................................................................................................ 1 20TDANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT20T .......................................................................... 3 20TLỜI MỞ ĐẦU20T ........................................................................................................... 4 20TCHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT ĐƠN CỰC TỪ20T ........................................................... 7 20T1.1 Lịch sử đơn cực từ20T .................................................................................................... 7 20T1.2 Đơn cực từ Dirac20T ................................................................................................... 10 20T1.3 Những động lực vật lý để tìm kiếm đơn cực từ20T ..................................................... 13 20T1.3.1 Sự tồn tại của đơn cực từ giải thích sự lượng tử hóa của điện tích20T ..................... 13 20T1.3.2 Hệ phương trình Maxwell mở rộng đối xứng với đơn cực từ20T ............................. 15 20T1.3.3 Đơn cực từ trong lý thuyết thống nhất lớn20T .......................................................... 17 20T1.4 Đặc tính của đơn cực từ20T ......................................................................................... 19 20T1.4.1Khối lượng đơn cực từ20T ........................................................................................ 19 20T1.4.2 Phản ứng của đơn cực từ trong từ trường20T ........................................................... 23 20T1.4.3 Phản ứng của đơn cực từ với vật chất20T................................................................. 23 20T1.5 Kĩ thuật tìm kiếm đơn cực từ20T ................................................................................. 24 20T1.5.1 Máy dò cảm ứng siêu dẫn20T .................................................................................. 24 20T1.5.2 Máy dò ion hóa20T .................................................................................................. 25 20T1.5.3 Máy dò dấu vết hạt nhân (NTD)20T ....................................................................... 27 20TCHƯƠNG 2: TÌM KIẾM ĐƠN CỰC TỪ TRONG TỰ NHIÊN20T ......................... 30 20T .1 Đơn cực từ GUT20T ..................................................................................................... 30 20T .1.1 các giới hạn tìm kiếm trong vật lý thiên văn và vũ trụ.20T ........................................ 31 20T .1.2 Tìm kiếm đơn cực từ bị giữ trong vật chất20T ......................................................... 32 20T .1.3 tìm kiếm đơn cực từ trong các bức xạ vũ trụ20T ...................................................... 33 20T .2 Một thể hiện của đơn cực từ trong môi trường vật chất đông đặc20T ....................... 40 20TCHƯƠNG 3: TÌM KIẾM ĐƠN CỰC TỪ TRONG MÁY GIA TỐC20T ................. 46 20T3.1 Lý thuyết tạo ra đơn cực từ trong máy gia tốc và tính toán các mặt cắt 20T ............. 48 20T3.2 Mô hình thí nghiệm gián tiếp:20T ................................................................................ 52 20T3.3 Mô hình thí nghiệm trực tiếp:20T ................................................................................ 55 20T3.4 Thí nghiệm tìm kiếm đơn cực từ ở tương lai20T ........................................................ 58 20T3.4.1 Thí nghiệm MoDAL tại LHC [19]20T ..................................................................... 58 20T3.4.2 Dự tích tìm kiếm các đơn cực từ tại Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) [20]20T ................................................................................................................................... 59 20TKẾT LUẬN20T ............................................................................................................. 61 20T ÀI LIỆU THAM KHẢO20T ..................................................................................... 62 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT GUT: Lý thuyết thống nhất lớn ( the Grand Unification Theories) SQUID: máy dò cảm ứng siêu dẫn (Superconducting Quantum Interference Device) NTD: máy dò dấu vết hạt nhân (Nuclear Track Detector) LỜI MỞ ĐẦU Kiến thức thông thường về điện từ học cho chúng ta biết một nam châm bao giờ cũng có một cực bắc và một cực nam, điện tích sinh ra điện trường còn từ trường là do điện tích chuyển động sinh ra. Tuy nhiên nếu xét trên phương diện đối xứng điện từ thì tại sao lại không tồn tại các hạt từ tích là nguồn của từ trường tương ứng với điện tích là nguồn của điện trường và tại sao lại chỉ tồn tại những hạt điện tích hoặc dương hoặc âm mà không tồn tại những hạt từ tích hoặc bắc hoặc nam? Đơn cực từ được đưa ra như những hạt giả thuyết trong vật chất. Sự tồn tại của từ tích hay đơn cực từ mang một ý nghĩa rất lớn trong khoa học. Sự tồn tại này không những không vi phạm bất kỳ định luật vật lý nào mà còn làm cho hệ phương trình Maxwell đối xứng. Năm 1931 Paul Dirac đã đưa ra lý thuyết lượng tử về đơn cực từ và giải quyết được bài toán sự lượng tử hóa của điện tích. Một vài lý thuyết quan trọng cũng đã được xây dựng dựa trên niềm tin về sự tồn tại của đơn cực từ như lý thuyết thống nhất lớn, thuyết dây, thuyết M…và sẽ là một bước tiến lớn trong khoa học nếu chứng minh được sự tồn tại đó. Nếu thành công thì các sách vật lý từ cấp đại học đến trung học đều phải sửa lại. Việc khám phá ra đơn cực từ điện tử sẽ mở ra một tương lai hoàn toàn mới cho ngành vật liệu học và công nghệ nếu các nhà khoa học có thể tạo ra một số lượng lớn. Các đơn cực từ có thể làm cho vật liệu đủ mạnh để trụ vững trong một vụ nổ hạt nhân và còn có thể cho phép bay bằng từ. Với những ý nghĩa nêu trên, việc truy tiềm những bằng chứng thật sự về sự tồn tại của đơn cực từ đã trở thành một vấn đề thời sự. Từ sau bài báo của Dirac xuất bản năm 1931 cho đến nay việc tìm kiếm đơn cực từ đã trở nên rất sôi động nhưng kết quả vẫn là số không, người ta tìm kiếm các đơn cực từ với các phòng thí nghiệm trên mặt đất, dưới lòng đất, trên các vệ tinh, trong các lớp đất đá, thiên thạch, đá mặt trăng, nước biển và trong tất cả các máy gia tốc ở tất cả các vùng năng lượng mới, đặc biệt với máy gia tốc LHC vừa mới đưa vào hoạt động vào năm 2009 với mức năng lượng chưa từng có hứa hẹn sẽ có nhiều khám mới trong thí nghiệm MoDAL do nhóm nghiên cứu trường đại học Alberta dự kiến đưa vào thực hiện vào cuối năm 2011. Vào năm 2009 những chuẩn hạt đơn cực từ đã được phát hiện trong tinh thể băng spin và vào tháng 10 năm 2010 các nhà khoa học đã công bố ảnh chụp các dây Dirac trong băng spin. Tuy đây chỉ là những giả đơn cực nhưng có thể là kim chỉ đường để phát hiện ra các đơn cực từ thực thụ. Đơn cực từ đã trở thành một đề tài hấp dẫn của nhiều nhóm nghiên cứu cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm trên khắp thế giới bởi tính thời sự nó. Tuy nhiên ở Việt Nam chỉ có một số ít các nhóm nghiên cứu về đề tài này, việc nghiên cứu chủ yếu là về lý thuyết và vẫn chưa có một tài liệu nào khái quát hóa các kiến thức của đơn cực từ đặc biệt là về thực nghiệm tìm kiếm. Bài luận văn của tôi với mục đích hệ thống hóa các kiến thức cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm của đơn cực từ một cách đơn giản, dễ hiểu và lý thú để phục vụ cho đối tượng sinh viên và học sinh muốn tìm hiểu về đề tài này. Đơn cực từ được nghiên cứu trong nhiều không gian nhiều chiều khác nhau nhưng trong phạm vi của một luận văn tốt nghiệp tôi chỉ chọn tìm hiểu về đơn cực từ trong không gian ba chiều. Phương pháp được sử dụng trong bài luận văn là tổng hợp và phân tích tài liệu, đầu tiên tôi thu thập tất cả các tài liệu liên quan đến đơn cực từ sau đó chỉ chọn sử dụng các tài liệu về đơn cực từ trong không gian ba chiều, chủ yếu tập trung vào các bài báo của Dirac, các báo cáo của các phòng thí nghiệm về đơn cực từ và các tài liệu mang tính tổng quát về một số khía cạnh khác nhau của đơn cực từ, sau khi đọc và phân tích tôi tìm thêm một số tài liệu liên quan. Bài luận văn của tôi thể hiện các nội dung về sự hình thành của lý thuyết đơn cực từ và các tính chất của đơn cực từ, các động lực để tìm kiếm đơn cực từ và những kỹ thuật để tìm kiếm đơn cực từ, hệ thống, phân loại và phân tích các thí nghiệm tìm kiếm đơn cực từ. Bài luận văn của tôi được chia thành ba chương chính không kể phần mở đầu và kết luận. Chương 1: “ lý thuyết đơn cực từ” tôi trình bày ngắn gọn tất cả các vấn đề cơ bản của đơn cưc từ bao gồm lịch sử đơn cực từ, lý luận của Dirac về sự tồn tại của đơn cực từ, những động lực thúc đẩy việc tìm kiếm đơn cực từ bao gồm sự lượng tử hóa của điện tích, hệ phương trình Maxwell đối xứng và sự hiện diện của đơn cực từ trong các lý thuyết khác nhưng ở đây tôi chỉ tập trung vào một lý thuyết duy nhất là lý thuyết thống nhất lớn. Trong chương này tôi còn trình bày các tính chất của đơn cực từ, từ những tính chất này người ta đã xây dựng các kỹ thuật dò tìm khác nhau. Giúp bạn đọc cái nhìn tổng quan về đơn cực từ, tầm quan trọng của việc tìm kiếm đơn cực từ và hiểu được các bố trí thí nghiệm tìm kiếm đơn cực từ được trình bày ở hai chương tiếp theo. Việc tìm kiếm đơn cực từ được chia thành 3 phần: trong chương 2 tôi trình bày phần thứ nhất là tìm kiếm các đơn cực từ trong tự nhiên hình thành trong giai đoạn ban đầu của vũ trụ theo lý thuyết thống nhất lớn (GUT) gọi là đơn cực từ GUT và phần thứ hai là tìm kiếm một dạng đơn cực từ trong môi trường vật chất đông đặc. Trong chương 3 tôi trình bày phần thứ ba là tìm kiếm các đơn cực từ sinh ra trong máy gia tốc. Trong hai chương này tôi không trình bày cụ thể tất cả các thí nghiệm mà chỉ trình mô hình tổng quát sau đó phân tích một vài thí dụ để người đọc hiểu rõ hơn về cơ chế của thí nghiệm. CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT ĐƠN CỰC TỪ 1.1 Lịch sử đơn cực từ Năm 1931 Paul Dirac đưa ra giả thiết rằng thế giới không chỉ có điện tích, mà còn có cả “từ tích”. Từ tích, hay còn gọi là đơn cực từ, là nguồn của từ trường. Bình thường một nam châm bao giờ cũng có cực bắc và cực nam.Ta cứ tưởng tượng có thể tách hai cực của nam châm ra khỏi nhau, thì hai phần đó là hai đơn cực từ. Đơn cực từ chỉ mang một cực, hoặc là bắc, hoặc là nam, cũng như điện tích có thể dương, có thể âm. Hình 1.1: Mô phỏng hai cực của nam châm bị tách ra thành hai đơn cực từ Cho đến tận ngày nay đơn cực từ vẫn là một trong những vấn đề cơ bản gây nhiều tranh cãi và chưa được giải quyết trong vật lý. Vấn đề này có một lịch sử rất dài. Từ thế kỷ thứ VII TCN loài người đã biết đến các hiện tượng điện từ, từ thế kỷ thứ VIII đã biết đến nam châm vĩnh cữu. Vào năm 1269 Petrus Peregrinus đã quy ước các cực của nam châm gồm có cực bắc và cực nam. Ở thế kỷ XVII khi nghiên cứu về các hiện tượng điện và từ người ta xem đây là hai lĩnh vực khác nhau và không liên quan gì đến nhau. Đến thế kỷ XVIII các nhà khoa học đều đồng ý với nhau là có chất điện và chất từ. Đến khi Oersted phát hiện ra sự tương tác của dòng điện lên kim nam châm thì điện và từ được xem là hai lĩnh vưc có liên hệ chặt chẽ với nhau. Khi so sánh các hiện tượng trong hai lĩnh vực này ta sẽ nhận thấy những nét đối xứng tương đồng. Như ta đã biết trong tự nhiên tồn tại hai loại điện tích có những vật chỉ mang điện tích dương, có những vật chỉ mang điện tích âm và cũng có những vật mang cả hai loại điện tích một cách tách biệt, một đầu mang điện tích âm còn đầu kia mang điện tích dương. Ta có thể xem đó như một lưỡng cực điện. So sánh với lưỡng cực điện, ta có thể coi những nam châm có hai cực là những lưỡng cực từ, hai cực của nam châm chứa hai từ tích khác nhau, tương tự như điện tích dương và âm của lưỡng cực điện. Ta có thể nhận thấy cách hành sử của lưỡng cực điện giống hệt như một thanh nam châm cùng cực thì đẩy nhau khác cực thì hút nhau. Không những thế, năm 1788 Coulomb đã thiết lập định luật lực tương tác vuông góc cho cả điện tích và các cực từ cho thấy lực giữa các thanh nam châm thay đổi theo khoảng cách và góc giống như lực giữa hai lưỡng cực điện. Đây được xem như một sự đối xứng điện từ. Hình 1.2: Đường sức điện trường của một lưỡng cực điện (hình bên trái); đường sức từ trường của một thanh nam châm (hình bên phải) Nhưng khác với điện tích, trong thực tế không có nam châm nào chỉ có một cực tứt không tồn tại đơn cực từ. Vào năm 1269 kỷ sư quân sự Pierre de Maricourt đã phá vỡ các thanh nam châm, cố gắng tách các cực của nó thành những phần riêng biệt để phục vụ cho mục đích quân sự nhưng thất bại. Khi cắt một nam châm thành hai phần ta thu được hai nam châm có hai cực như thường nhưng nhỏ hơn. Lý giải cho điều này, năm 1820 Ampere đã khẳng định rằng tất cả hiện tượng từ là các dòng điện gây ra. Ông kết luận tương tác giữa các nam châm chính là tương tác giữa các dòng điện phân tử ở bên trong. Theo mô hình mẫu nguyên tử Borh, các electron quay xung quanh hạt nhân nguyên tử, chính chuyển động này đã tạo nên từ trường của nguyên tử. Trong nam châm vĩnh cữu các nguyên tử, phân tử sắp xếp sao cho các từ trường riêng lẻ thẳng hàng tạo thành một từ trường lớn. Do đó khi cắt thanh nam châm làm hai không làm ảnh hưởng đến sự sắp xếp của các phân tử bên trong. Dẫn đến kết quả là sự định hướng của các nguyên tử ở hai phần nam châm bị cắt ra giống như trước. Do đó sinh ra một từ trường có định hướng giống như từ trường của nam châm gốc. Ampere còn đưa ra định đề các thanh nam châm tương đương với các cuộn dây solenoid. Trường do cuộn solenoid sinh ra giống hệt một thanh nam châm gây ra. Hình 1.3: Từ trường do cuộn dây solenoid sinh ra Như vậy bằng cách quy các hiện tượng từ về các hiện tượng điện, từ trường là do điện tích chuyển động sinh ra. Ampere đã loại bỏ thuyết chất từ ra khỏi ngôn ngữ khoa học. Vào năm 1873 Mawell đã tìm ra hệ phương trình nối liền các hiện tượng điện và các hiện tượng từ dạng chuẩn không chứa một từ tích nào. Đến đây thì mối liên hệ giữa điện và từ đã trở nên rõ ràng nhưng nếu nhìn theo góc độ đối xứng điện từ thì liệu có tồn tại vật mang từ tính tương ứng với các vật mang điện tích đơn, tứt có tồn tại đơn cực từ không? Hơn nữa với sự xuất hiện của đơn cực từ không hề vi phạm bất kỳ định luật vật lý nào mà còn làm cho hệ phương trình Maxwell đối xứng điều này mang một ý nghĩa quan trọng trong vật lý. Người khởi xướng đầu tiên về sự tồn tại của đơn cực từ là Pierre Curie vào năm 1894, cuối thế kỷ XIX. Ông nhận thấy rằng hai cực khác tên của nam châm hút nhau và hai cực cùng tên đẩy nhau hoàn toàn tương tự như hai điện tích khác dấu và đồng dấu. Nhưng lý thuyết lượng tử về từ tích bắt đầu bằng một bài báo của nhà vật lý Paul A.M. Dirac vào năm 1931. Với giả thiết về sự tồn tại của đơn Dirac đã giải quyết được vấn đề lượng tử hóa của điện tích, một vấn đề tồn tại từ lâu mà vẫn chưa có câu trả lời. Sau này, đơn cực từ còn xuất hiện trong các lý thuyết thống nhất lớn GUT và nhiều lý thuyết khác như lý thuyết dây, thuyết M… Với những động lực vật lý mạnh mẽ như vậy, ngay sau khi Dirac công bố bài báo về đơn cực từ thì việc tìm kiếm đơn cực từ trở nên sôi động trong các phòng thí nghiệm cho đến tận ngày nay. Người ta tìm đơn cực từ trong các tia vũ trụ, trong lớp đất đá mặt trăng và trong các tất cả các máy gia tốc đặc biệt trong máy gia tốc LHC vừa đưa vào hoạt động năm 2009 với mức năng lượng chưa từng có. Hiện tại vẫn chưa có một bằng chứng thực nghiệm nào chứng tỏ sự tồn tại của đơn cực từ. Nhưng mới gần đây vào năm 2011 các nhà khoa học đã công bố là tìm thấy một giả đơn cực từ trong mội trường vật chất đông đặc. Mở ra một hy vọng mới trong việc tìm kiếm các đơn cực từ thật sự. 1.2 Đơn cực từ Dirac Luận điểm của Dirac về sự tồn tại của đơn cực từ đã bắt đầu với một hướng phát triển mới trong lý thuyết [1]. Luận cứ của Dirac như sau: Giả sử có một hạt chuyển động được môt tả bởi hàm sóng ψ . Chúng ta viết hàm sóng dưới dạng: (1) Trong đó A và là các hàm theo (x,y,z,t) biểu thị biên độ và pha của hàm sóng. Khi chuẩn hóa hàm sóng ta luôn luôn có thể cộng vào pha của hàm sóng một hằng số bất kỳ. Vì thuần túy, giá trị pha không có ý nghĩa vật lý tại một điểm, mà quan trọng là độ khác pha giữa hai điểm. Như vậy ta có thể thừa nhận rằng: - Độ khác pha không phải là giá trị duy nhất mà phụ thuộc vào đường cong nối hai điểm, ngoại trừ hai điểm quá gần hoặc lân cận nhau. - Tổng pha thay đổi theo một đường cong kín không cần phải triệt tiêu. Bây giờ, chúng ta khảo sát điều kiện để sự không khả tích này của pha hàm sóng không làm xuất hiện sự mơ hồ trong các áp dụng lý thuyết. Đối với một hàm sóng đơn, nếu chúng ta nhân ψ với hàm phức kết hợp chúng ta có hàm mật độ. Mật độ này không phụ thuộc vào pha của hàm sóng, vì thế không gặp rắc rối nào gây ra bởi pha không xác định. Nếu chúng ta có hai hàm sóng khác nhau và tích phân có thành phần không xác định nằm ở độ khác pha, cho các giá trị mà bình phương các giá trị này có ý nghĩa vật lý là xác suất thỏa thuận của hai trạng thái. Để tích phân có một mô đun hàm xác định mà không cần phải có một pha xác định tại mỗi điểm, đòi hỏi phải có một độ khác pha xác định giữa hai điểm bất kỳ, dù chúng có lân cận nhau hay không. Dẫn đến sự thay đổi trong pha của hàm sóng trên đường cong kín phải giống nhau đối với tất cả các hàm sóng và sự thay đổi này là thuộc tính của hệ động học. Vì yêu cầu toán học chúng ta thừa nhận rằng phương trình sóng có dạng: (2) Với là hàm sóng có pha xác định tại mỗi điểm, có mô đun bằng mô đun hàm ψ và phần pha không xác định rõ nằm trong xuất phát từ luận điểm hàm sóng không có pha xác định tại mỗi điểm nhưng độ khác pha giữa hai điểm phải xác định đòi hỏi sẽ không phải là một hàm theo có giá trị xác định tại mỗi điểm, nhưng phải có đạo hàm xác định. Chúng ta quy ước đạo hàm của như sau: , , , Đạo hàm này không thỏa mãn điều kiện khả tích Bây giờ nếu ta lấy đạo hàm ψ : (3) Và các phương trình tương tự cho các biến y,z,t. vì nếu ψ thỏa mãn phương trình sóng với xung lượng và năng lượng P và W, thì tương ứng thỏa mãn phương trình sóng với xung lượng và năng lượng P+hk và W . Vì thế nếu ψ mô tả một hạt tự do, so sánh phương trình trên với sự thay đổi xung lượng và năng lượng trong điện từ trường, ta có thể nói rằng sẽ mô tả một hạt điện tích –e chuyển động trong điện từ trường cho bởi: Vậy, sự không khả tích trong pha của hàm sóng cho thấy sự hiện diện của điện từ trường. Bây giờ, sự biến đổi pha theo một đường cong kín theo định lý Stokes: (4) Với S là mặt phẳng giới hạn bởi đường cong kín. Từ mô tả trên, so sánh với với xung lượng và năng lượng trao đổi trong điện từ trường. Ta có kết quả sau: Như vậy phần không khả tích của pha suất phát từ được thể hiện qua các thế của trường điện từ và kết quả của lý thuyết trở thành một mô hình toán học được dùng cho electron chuyển động trong điện từ trường. Chú ý rằng một pha luôn luôn không xác định khi là bội số của 2 . Điều này yêu cầu phải xem xét lại mối quan hệ giữa với các thế của điện từ trường. Theo lý thyết để ý nghĩa vật lý sáng rõ trong các áp dụng chúng ta có điều kiện sự thay đổi của pha theo một đường cong kín phải giống nhau đối với tất cả các hàm sóng, sự thay đổi này bằng thông lượng điện từ trường gửi qua mặt phẳng giới hạn bởi đường cong kín. Điều kiện bây giờ có thể được nới lỏng thành sự thay đổi pha đối với các hàm sóng khác nhau là khác nhau bởi một bội số nào đó của 2 . Vì thế không thể giải thích trong giới hạn trường điện từ. Giả sử chúng ta có một đường cong kín rất nhỏ, sự thay đổi pha của hàm sóng liên tục là rất nhỏ và phải bằng 2 đối với tất cả các hàm sóng khác nhau. Điều này được giải thích mà không cần dùng đến bất kỳ điều gì liên quan đến thông lượng điện từ trường gửi qua mặt phẳng giới hạn bời đường cong kín và thông lượng này cũng phải rất nhỏ. Trường hợp ngoại lệ khi hàm sóng triệt tiêu tại một điểm thì pha của nó không có ý nghĩa. Với một hàm phức tạp thì hàm sóng triệt tiêu dọc theo một đường thẳng, được gọi là đường nút. Vì thế nếu ta có một đường cong kín nhỏ và một đường nút thông qua nó , điều kiện liên tục ở trên là không đúng , pha của hàm sóng có thể thay đổi bằng một bội số nguyên lần nào đó của 2 cộng với một hệ số bé. Hệ số này được mô tả như đại lượng liên quan đến trường điện từ, vì thế một đường cong kín rất nhỏ trong không gian 3 chiều, sự thay đổi của pha theo đường cong sẽ là: (5) Với một đường cong kín lớn, chúng ta có thể làm như trên bằng chia thành những đường cong kín nhỏ thì tổng pha thay đổi theo đường cong kín bằng tổng pha thay đổi theo tất cả các đường cong nhỏ: (6) Với một mặt kín bất kỳ, sự thay đổi pha theo đường giới hạn mặt phẳng cho bởi biểu thức trên phải triệt tiêu vì mặt kín không có đường cong giới hạn. Nên cho tất cả các hàm sóng phải giống nhau và tiến tới 0. Rõ ràng không cần phải triệt tiêu và vì thế mặt kín phải có một điểm kết thúc của đường nút bên trong mặt kín. Điểm nút này là một điểm đơn trong trường điện từ. Nếu phân tích cho một điểm nút đơn, tổng thông lượng điện từ trường gửi qua mặt kín nhỏ bao quanh điểm nút là: (7) Tính chất của điểm này như đơn cực từ và giá trị của nó là: (8) 1.3 Những động lực vật lý để tìm kiếm đơn cực từ 1.3.1 Sự tồn tại của đơn cực từ giải thích sự lượng tử hóa của điện tích Sự tồn tại của đơn cực từ đã giải thích sự lượng tử hóa của điện tích. Ngay sau khi bài báo của Dirac về sự tồn tại của đơn cực từ được công bố Meghnath saha và H. A. Wilson đã giải thích sự lượng tử hóa của điện tích bằng các luận cứ bán cổ điển, sau đó Dirac đã xây dựng thuyết động học đơn cực để chỉ ra sự lượng tử hóa của điện tích một cách tinh vi hơn [2]. Xét hệ gồm một hạt điện tích e, khối lượng m chuyển động trong trường gây ra bởi một đơn cực từ đứng yên có từ tích g. Hình 1.4: Hạt điện tích trong từ trường của một đơn cực từ Từ trường do từ tích gây ra là: (9) Lúc này lực tác dụng lên điện tích theo phương y là: (10) Động lượng của hạt do trường của từ tích gây ra: (11) Moment động lượng theo trục z (12) Theo cơ học lượng tử thì moment động lượng này phải bị lượng tử hóa với đơn vị ħ, vì thế tích 28TR Rcũng bị lượng tử hóa. (13) Với là số nguyên, là hằng số planck và là vận tốc ánh sáng. Đây là điều kiện lượng tử hóa của Dirac. Như vậy chỉ cần trong vũ trụ có một từ tích có giá trị bằng , thì tất cả các điện tích phải là bội của . Điều này giải thích tại sao các điện tích phải là bội của một điện tích cơ bản. Ngược lại, nếu là điện tích nhỏ nhất trong thiên nhiên, thì tất cả các từ tích phải là bội của . Giả thuyết về sự tồn tại của đơn cực từ hàm ý rằng điện tích phải được lượng tử hóa trong các đơn vị nhất định; cũng vậy sự tồn tại của điện tích hàm ý rằng từ tích nếu tồn tại cũng phải được lượng tử hóa trong hệ đơn vị nghịch đảo với điện tích nguyên tố. Từ phương trình ta có từ tích với , Chúng ta chú ý giá trị độ lớn của từ tích lớn hơn rất nhiều so với điện tích. 1.3.2 Hệ phương trình Maxwell mở rộng đối xứng với đơn cực từ Trước Dirac, vào năm 1873 J. Maxwell đã đưa ra hệ phương trình mô tả trường điện từ cổ điển. Cùng với định luật lực Lorentz và các phương trình chuyển động Newton, chúng mô tả tất cả các động thái cổ điển của tương tác giữa hạt điện tích với điện từ trường. Tương tự với điện tích chúng ta có thể cộng thêm một từ tích vào hệ phương trình Maxwell bằng cách đưa ra các khái niệm mật độ từ tích và dòng từ tích hoàn toàn tương tự như mật độ điện tích và dòng điện tích [2][3]. Lúc này từ trường không chỉ do điện tích chuyển động sinh ra mà còn do từ tích gây ra. Hệ phương trình Maxwell mở rộng đối xứng sẽ có dạng như sau: eD ρ∇⋅ = ur ur (14) mB ρ∇⋅ = ur ur (15) mE B jt ∂ −∇× = + ∂ ur ur ur r (16) e H D j t ∂ −∇× = + ∂ ur uur ur r (17) Hệ phương trìnhMaxwell đối xứng là bất biến đối với phép biến đổi nhị nguyên (21Tξ ∈ 16T2R16T2): ' 'cos sinE E Hξ ξ= + uur uurur ' 'cos sinD D Bξ ξ= + uur uurur (18) ' 'sin cosH E Hξ ξ= − + uur uuruur ' 'sin cosB D Bξ ξ= − + uur uurur ' 'cos sine e mρ ρ ξ ρ ξ= + ' ' cos sine e mj j jξ ξ= + r r r ' 'sin cosm e mρ ρ ξ ρ ξ= − + ' ' sin cosm e mj j jξ ξ= − + r r r Một trường hợp thông dụng của phép biến đổi nhị nguyên là khi 21Tξ=21T 21T/2. Hệ phương trình Maxwell mở rộng là bất biến với phép biến đổi: e mρ ρ→ e mj j→ r r E H→ ur uur D B→ ur ur m eρ ρ→ − m ej j→− r r B D→− ur ur H E→− uur ur Ta có thể thu lại hệ phương trình Maxwell thông thường trong trường hợp từ tích không tồn tại hoặc tồn tại nhưng không nằm trong vùng không gian đang xét. Đối xứng này cho ta một lực Lorentz tổng quát đối với hạt có điện tích và từ tích : ( )F e E v B= + × + ur ur r ur ( )B v E− × ur r ur (19) Đối xứng của trong không gian nghịch đảo và thời gian nghịch đảo là phản của . Và như một hệ quả nếu tồn tại hạt dyon vừa mang điện tích vừa mang từ tích thì không gian nghịch đảo và thời gian nghịch đảo sẽ không còn đối xứng nữa và đó là một động lực để sáng chế ra từ tích. 1.3.3 Đơn cực từ trong lý thuyết thống nhất lớn Từ năm 1974 đơn cực từ được xem như có thể tổng quát hóa hệ phương trình Maxwell và giải quyết được vấn đề lượng tử hóa của điện tích. Trong năm 1974 t’Hooft và Polyakov đã độc lập cho thấy sự tồn tại của đơn cực từ như giải pháp tự nhiên trong lớp chung của các lý thuyết thống nhất lớn (GUTs). Thống nhất thành công tương tác yếu với tương tác điện từ là rất quan trọng để có thể thống nhất tương tác điện yếu và tương tác mạnh với một tương tác GUT. Các suy luận cho thấy ba hằng số kết nối nối liên quan đến các tương tác trên gần như giao nhau tại một điểm ở thang năng lượng dự đoán là GeV. Vì vậy công trình của t’Hooft và Polyakov đã phục hưng lại ý tưởng về đơn cực. Tham số dẫn đến sự tồn tại của đơn cực từ xuất từ một mô hình đặc biệt của lý thuyết thống nhất, gọi đơn giản là SU(2) mô hình Georgi-Glashow với sự tự phá vỡ tính đối xứng [4] [5]. Hình 1.5: Chỉ số chạy của các hằng số nối trong lý thuyết thống nhất, hình (a) tương tác điện từ U(1) nối với , tương tác yếu nối với , tương tác mạnh nối với ; hình (b) chỉ số chạy của các hằng số nối với giả định siêu đối xứng. Như đã nêu, các lý thuyết thống nhất lớn của tương tác điện yếu va tương tác mạnh dự đoán sự tồn tại của các đơn cực từ siêu nặng được sinh ra trong vũ trụ ban đầu như các lỗi topo khi một nhóm gauge thống nhất tự phá hủy thành các nhóm tách biệt . Giả định nhóm thống nhất GUT là SU(5) ta có mô hình chuyển đổi trong vũ trụ ban đầu như sau: 15 2 35 9 10 10 10 10 (5) (3) [ (2) (1) ] (3) (1)GeV GeVC L Y C EMs sSU SU SU U SU U− −→ × × → × Các đơn cực từ được sinh ra như những lỗi topo trong các pha chuyển đổi GUT, một đơn cực cho mỗi vùng nhân quả. Theo tiêu chuẩn vũ trụ thì sự chuyển đổi này dẫn đến rất nhiều đơn cực: mật độ đơn cực hiện tại là g/cmP3P, trong khi mật độ tới hạn là g/cmP3P. Sự lạm phát của vũ trụ ban đầu sẽ làm chậm lại sự chuyển đổi pha thống nhất làm giảm sự phong phú của đơn cực nên chúng rất khan hiếm. Khối lượng đơn cực được xác định bởi thang khối lượng phá vỡ đối xứng. Với thang thống thống nhất 10P16PGeV thì đơn cực từ có khối lượng GeV Hình 1.6 Thể hiện cấu cấu trúc có thể của một đơn cực từ GUT, với mội lỗi rất nhỏ, một vùng điện yếu , một vùng giam hãm, một vùng ngưng tụ fermion-antifermion; với một đơn cực từ có thể xem như một hạt điểm sinh ra một từ trường . Hình 1.6: Cấu trúc của một đơn cực từ. các vùng tương ứng(i) lỗi thống nhất lớn ( ; bên trong lỗi này có các hạt ảo X và Y); (ii) thống nhất điện yếu ( ; bên trong là các hạt ảo và ZP0P); vùng giam hãm ( ; bên trong là ảo , các gluon và các cặp ngưng tụ fermion-antifermion, có thể có 4 trạng thái fermion ảo); (iv) với vài fm là trường của một từ tích điểm Lỗi trung tâm của đơn cực từ GUT chứa các trường của các boson siêu nặng là xúc tác của phản ứng phân rã các nucleon theo cơ chế Rubakov và Callan , , Trong các lý thuyết khác, một vài giai đoạn phá vỡ đối xứng có thể sinh ra các đơn cực từ với thang khối lượng khác nhau. Trong lý thuyết SO(10) các đơn cực từ trung cấp sẽ xuất hiện như những lỗi topo ở giai đoạn trễ hơn trong vũ trụ ban đầu; trong trường hợp này nhóm thống nhất không sinh ra nhóm U(1) ở cuối sự chuyển đổi pha thống nhất, nhóm U(1) sẽ xuất hiện ở một sự chuyển đổi pha mới trễ hơn như sau: 15 9 35 23 10 10 10 10 (10) (4) (2) (2) (3) (2) (1)GeV GeV s s SO SU SU SU SU SU U− −→ × × → × × Sự chuyển đổi này tạo ra các đơn cực từ với khối lượng ở cấp 10P10P GeV. Các đơn cực còn lại sau lạm phát là ổn định với từ tích 2 . Các đơn cực này không xúc tác phân rã nucleon. Cấu trúc đơn._. cực từ trung cấp tương tự như đơn cực từ GUT nhưng lỗi trung tâm lớn hơn. 1.4 Đặc tính của đơn cực từ 1.4.1Khối lượng đơn cực từ Khối lượng đơn cực từ được ước lượng trong nhiều lý thuyết khác nhau. Nhưng vẫn chưa có một tiên đoán thật sự nào về khối lượng của đơn cực. Khối lượng đơn cực theo lý thuyết GUT liên quan đến khối lượng theo X, Y của tương tác thống nhất [5]: , với G là hằng số không thứ nguyên khớp nối ở mức năng lượng . Trong các lý thuyết GUT thì GeV và , . Đây là một khối lượng quá lớn và có thể không bao giờ được tạo trong bất kỳ máy gia tốc nào ở hiện tại hoặc tương lai. Chúng chỉ có thể được tạo ra vào thời điểm đầu tiên của sự tạo thành vũ trụ và nên tìm kiếm tại các bức xạ vũ trụ. Cùng một thời gian nhiều tác giả đã chỉ ra rằng thang thống nhất có thể được hạ thấp một cách đáng kể với sự xuất hiện của một số phương mở rộng. Điều này có nghĩa là các đơn cực từ có thể được tìm kiếm ở các máy gia tốc hiện đại trong tương lai như LHC và ILC. Có nhiều ước tính khác nhau về khối lượng của đơn cực từ, theo giả định bán kính đơn cực từ bằng với bán kính của electron thì với . Do đó khối lượng của đơn cực từ là tương đối lớn và thập chí là rất lớn nếu điện tích cơ bản là và . Trong lý thuyết điện yếu khối lượng đơn cực phụ thuộc vào trường vật chất GeV đối với trường vật chất IVB, GeV đối với trường vật chất và 50GeV đối với trường vật chất có spin 1/2. Ngoài ra khối lượng đơn cực xét trên mô hình lí thuyết dây cũng liên quan đến đơn cực từ, khối lượng của đơn cực từ được dự đoán ở mức 1 TeV. Đơn cực từ còn xuất hiện như những hạt ảo trong quá trình tính toán của các quá trình g-2, và quá trình tạo ra hai photon với xung lượng ngang cao từ hai photon sinh ra từ va chạm hoặc [6]. Trong quá trình g-2 một đơn cực từ Dirac có giới hạn dưới của khối lượng là 120 GeV được thiết lập, các đơn cực góp phần điều chỉnh sự phân cực chân không cho muon có từ tính bất thường. Sơ đồ tương tác đơn cực muon cao và tương tác phản đơn cực như hình 1.7. Trên thực tế dựa vào số đo thực hiện tại CERN thì khối lượng giới hạn chính xác là 60 GeV. Kết quả mới nhất tại thí nghiệm BNL AGS thì khối lượng đơn cực từ có giới hạn dưới m > 240 GeV/ . Hình 1.7: (a) Tương tác đơn cực muon cao. (b) tương phản đơn cực. Thí nghiệm L3 tại LEP CERN đã tìm kiếm trực tiếp sự phân rã Z thành 3 photon. Kết quả không tìm thấy quá trình này, nhưng thu được giới hạn 95 % CL của . Các tính toán của quá trình này cho thấy khối lượng đơn cực từ lớn hơn 400 GeV/ Hình 1.8: Sự hủy diệt sinh ra Z, gây ra đơn cực. (a) với các đỉnh photon đối ngẫu (biểu thị bằng các dấu chấm nặng) được móc lại với nhau thành dây đơn cực và đỉnh chuẩn nằm trên đường electron. (b) một đối ngẫu ngược. (c) chỉnh sửa bậc cao hơn của (a). (d) phong nền QED. Đơn cực trong các quá trình ảo khác liên quan đến nghiên cứu của Ginzburg và Panfil vào năm 1982 và Ginzburg và Schiller vào năm 1990. Hai photon xung lượng ngang cao được sinh ra từ sự va chạm của hai photon được sinh ra từ sự va chạm của hoặc . Một điểm nặng ảo 16Tgiống16T 16Tđơn cực16T 16Ttừ16T Dirac 16Tcó thể16T 16Ttái16T 16Tphân tán16T 16Tthành hai photon16T 16Ttrong 16T 16Ttrạng thái16T 16Tcuối cùng16T 16Tthông qua16T 16Tmột16T 16Tbiểu đồ16T 16Thộp16T 16Tđơn cực như hình 1.9. Hình 1.9: Biểu đồ Feynman tạo ra từ một vòng đơn cực ảo Minh họa này là một ví dụ của một biểu đồ Feynman, một đại diện của tương tác giữa các hạt dưới nguyên tử. Với các nguồn năng lượng cao thì thường là trường hợp mà một quark đơn (q) bên trong proton tán xạ với một antiquark đơn (q-bar) bên trong phản proton. Trên biểu đồ quark và antiquark được chỉ ra cùng với các proton và phản proton tương ứng. Theo kỳ vọng lý thuyết, tương tác này có thể xảy ra thông qua sự phát xạ "photon ảo" (photon tồn tại một cách giả tạo trong thời gian rất ngắn và không thể đo trực tiếp) lần lượt kết nối với một vòng đơn cực ảo (M). Kết quả cuối cùng của sơ đồ tương tác phát ra hai photon "thực sự" có thể được phát hiện trong phòng thí nghiệm. Các nhà vật lý ở Fermilab hiện đang tìm kiếm các dấu hiệu như vậy của các đơn cực. Theo lý thuyết này, một giới hạn thực nghiệm được đưa ra bởi nhóm cộng tác D0, theo đó giới hạn khối lượng đơn cực M: > 610 GeV đối với s = 0, > 870 GeV đối với s = 1/2 và > 1580 GeV đối với s = 1, s là Spin của đơn cực. Nếu biết được khối lượng đơn cực từ, chúng ta có thể sử dụng cơ chế Drell- Yan để xây dựng một thí nghiệm tối ưu. Nhưng thật không may khi có một biên độ rất lớn trong việc lựa chọn khối lượng đơn cực từ. Kết luận của Dirac chỉ tiên đoán tính chất điện từ của đơn cực từ nhưng không phải là tính chất vật lí. Do đó bất kì vùng khối lượng nào của đơn cực từ vẫn là mở. Bảng 1.1 liệt kê khối lượng đơn cực từ được dự đoán trong các mô hình lý thuyết khác nhau. Bảng 1.1: Bảng thống kê khối lượng đơn cực từ trong các mô hình lý thuyết khác nhau Mô hình lý thuyết Khối lượng giới hạn, GeV Bán kính electron = 2.4 g-2 muons > 240 High Pt > 610, s = 0 High Pt > 870, s = ½ High Pt > 1580, s=1 Z > 400 Electronwea k Superstring GUT 1.4.2 Phản ứng của đơn cực từ trong từ trường Đơn cực từ chuyển động trong từ trường sẽ đạt được mức năng lượng , với là từ tích, B là từ trường và là chiều dài của vùng từ trường. Trong một thiên hà gắn kết dài , đơn cực từ với có thể thu được năng lượng là GeV. Các đơn cực cổ điển có thể được gia tốc đến vận tốc tương đối trong các chùm tia vũ trụ. Đơn cực GUT sẽ phải có vận tốc thấp . Với các nam châm thí nghiệm hiện đại đơn cực từ có thể dễ dàng được gia tốc khi năng lượng đạt được đối với từ tích nhỏ nhất của các đơn cực từ là . Trong trường Solenoid, trái với các hạt mang tích phí thông thường di chuyển theo đường xoắn ốc và chuyển động trong mặt r- , các đơn cực từ chuyển động theo đường cong dạng hình Parapol trong mặt r-z. Do đó các máy dò tại các va chạm thường sử dụng trường Solenoid. 1.4.3 Phản ứng của đơn cực từ với vật chất • Phản ứng ion hóa Theo lý thuyết của Dirac thì đơn cực từ đứng yên gây ra từ trường, đơn cực từ chuyển động gây ra cả từ trường và điện trường. Điện trường của các đơn cực từ tác dụng lên các điện tích của môi trường sẽ gây ra sự ion hoá các nguyên tử của môi trường vật chất. Phép tính chi tiết chứng tỏ rằng khả năng ion hoá của các đơn cực từ mạnh hơn khả năng ion hoá của các điện tích khoảng 5000 lần. Phản ứng của đơn cực từ khi di chuyển bên trong vật chất phụ thuộc vào vận tốc của đơn cực, vận tốc càng lớn thì điện trường sinh ra càng lớn sự ion hóa càng mạnh. Đối với đơn cực nhanh có từ tích và vận tốc thì tác động trong vật chất tương ứng với tác động của môt hạt điện tích với điện tích tương tác là . Điều này nghĩa là năng lượng mất mát của đơn cực từ là rất lớn. Đối với đơn cực chậm ( ) có thể gây ra sự ion hóa hoặc kích thích các phân tử nguyên tử trung gian (mất mát năng lượng điện tử) hoặc dội ngược lại các nguyên tử hoặc phân tử (mất mát năng lượng nguyên tử hoặc hạt nhân). Sự mất mát năng lượng xảy ra nhiều hơn đối với . Nên trong các máy dò ion hóa sử dụng khí hiếm kết hợp với năng lượng mất mát để các nguyên tử đạt mức năng lượng thỏa thuận ( tác động Drell). Đối với đơn cực có tốc độ rất thấp các đơn cực từ không thể kích thích các nguyên tử. Chúng chỉ có thể mất năng lượng do các va chạm đàn hồi với các nguyên tử hoặc hạt nhân. Năng lượng được phóng thích ra môi trường trung gian dưới dạng dao động đàn hồi và hoặc bức xạ hồng ngoại. • Bị bẫy trong vật liệu sắt từ Các đơn cực có thể bị mắc kẹt trong các vật liệu sắt từ bởi một lực tưởng tượng có thể đạt đến giá trị . • Chất xúc tác của phân rã nucleon Sự tương tác của hạt nhân đơn cực GUT với một nucleon có thể dẫn đến phản ứng phân rã nucleon (xúc tác đơn cực của phân rã nucleon). . 1.5 Kĩ thuật tìm kiếm đơn cực từ Dựa vào các tính chất của đơn cực từ người ta đã xây dựng các kỹ thuật tìm kiếm khác nhau. Các máy dò được sử dụng để tìm kiếm đơn cực từ dựa vào sự cảm ứng và sự ion hóa. Có ba lạoi máy dò đơn cực cơ bản như sau [7]. 1.5.1 Máy dò cảm ứng siêu dẫn Phương pháp cảm ứng dựa trên tương tác điện từ tầm xa giữa từ tích và trạng thái vĩ mô của một vòng siêu dẫn. Một đơn cực từ khi di chuyển qua vòng dây siêu dẫn gây ra một độ biến thiên từ thông gửi qua vòng dây độc lập với vận tốc đơn cực, sinh ra một suất điện động cảm ứng và một dòng ( ) trong vòng dây. Nếu cuộn dây có N vòng và tính cảm ứng của nó là L, thì dòng , với là dòng biến đổi tương ứng với sự thay đổi của một đơn vị thông lượng lượng tử siêu dẫn. Một máy dò cảm ứng siêu dẫn bao gồm các cuộn dây phát hiện, được kết hợp với một SQUID (thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn) để khuếch đại dòng cảm ứng sinh ra trong cuộn dây phát hiện và đưa tín hiệu ra ngoài để phân tích. Loại máy dò này nhạy cảm với bất kỳ loại đơn cực từ nào và với bất kỳ loại vận tốc đơn cực từ nào. Hình 1.10: Sơ đồ máy dò siêu dẫn 21TDựa vào sự tương phản giữa dòng cảm ứng tạo ra bởi đơn cực từ và của lưỡng cực từ khi đi qua cuộn dây siêu dân mà chúng ta có thể phát hiện được đơn cực từ. Các đơn cực từ gây ra một từ trường, làm sinh ra một dòng điện liên tục khi chúng đi qua cuộn dây siêu dẫn. Trong khi đó lưỡng cực từ có thể được mô tả như một hệ thống gồm các từ tích bằng nhau về độ lớn nhưng trái dấu, triệt tiêu nhau do đó dòng do lưỡng cực từ sinh ra trở về không sau khi hoàn tất đường đi qua cuộn dây siêu dẫn. Hình 1.11: Dòng do đơn cực từ sinh ra (hình ở trên) và dòng do lưỡng cực từ sinh ra khi đi qua cuộn dây siêu dẫn (hình ở dưới) 1.5.2 Máy dò ion hóa Máy dò ion hóa được sử dụng để tìm kiếm đơn cực từ sử dụng kỹ thuật giảm kích thích. Một đơn cực từ chuyển động với vận tốc trong vật chất scintillating gây ra một tín hiệu cao hơn tín hiệu từ các hạt ion hóa thấp nhất. Với vận tốc có một hiệu ứng bão hòa và đối với ánh sáng sinh ra tăng lên vì nhiều tia sinh ra. Hình 1.12 sự mất mát năng lượng của đơn cực từ với một từ tích theo vận tốc trong chất lỏng hydrogen. Đường cong a) tương ứng với đơn cực đàn hồi- nguyên tử hydrogen tán xạ; đường cong b) tương ứng với tương tác ở mức băng qua và uốn cong c) mô tả sự giảm năng lượng ion hóa. Hình 1.12 : Sự mất mát năng lượng của đơn cực từ với từ tích trong chất lỏng hydrogen như một hàm theo Hinh 1.13 So sánh năng lượng mất mát của proton và đơn cực tại các giá trị tương đối cao trong không khí. Hình 1.13 . Năng lượng mất mát của các đơn cực và các proton trong không khí Hình 1.13 cho thấy sự tổn thất năng lượng của các đơn cực từ cao hơn nhiều bậc năng lượng so với proton. Do đó các vật chất khác nhau như nhũ tương, máy scintillation, máy dò khí và bất kì máy dò nào khác có thể đo được năng lượng mất mát của đơn cực khi chúng di chuyển trong các máy dò này bằng cách phân tích các dấu vết mà đơn cực từ để lại khi di chuyển qua đều có thể sử dụng như máy dò đơn cực từ. 1.5.3 Máy dò dấu vết hạt nhân (NTD) Hệ thống máy dò đơn cực từ tiếp theo là các máy dò dấu vết hạt nhân (NTD). NTD có thể ghi lại đường đi của các hạt ion nặng. Nguyên tắc của NTD dựa trên một thực tế là khi một hạt ion nặng di chuyển bên trong NTD nó để lại những khu thiệt hại có dạng hình trụ nhỏ xung quanh vĩ đạo mà nó đi qua. Các thiệt hại này phụ thuộc vào năng lượng bên trong khu vực hình trụ. Vùng giới hạn vùng thiệt hại là một hàm của giá trị tích Z và (với c là vận tốc ánh sáng trong chân không) của các hạt ion hóa cao bay đến. Hình 1.14: Sự phá vỡ các liên kết cao phân tử khi hạt tích bay qua Để có thể nhìn thấy rõ tất cả các dấu vết thiệt hại mà hạt ion hóa để lại trên tấm plastic, sau khi bị tấn công bởi các hạt ion hóa các tấm plastic thường được ngâm trong các chất ăn mòn để tăng kích thước các dấu vết lên. Để bề mặt máy dò plastic bị ăn mòn theo cách thức có kiểm soát người ta sử dụng chất ăn mòn như Natri hydroxide nóng (NAOH), khu thiệt hại được tiết lộ có dạng hình nón etch-pit. Diện tích và độ sâu của etch-pit là một hàm tăng theo Z/ của hạt. Hình dưới đây tóm tắt quá trình ăn mòn tạo thành các hình nón etch –pit tương ứng với thời gian ăn mòn đối với một số hạt tương đối thông thường. Hình 1.15: Nguyên tắc ăn mòn của các NTD. Hình 1.15 a) là đường đi của hạt trong NTD. Hạt chuyển động tạo ra một vùng giới hạn thiệt hại trên quỹ đạo với bán kính Trong hình b) và c) là kết quả của sự ăn mòn phụ thuộc vào Z/ của hạt chuyển động hình b) hai nón etch-pit được hình thành trên hai mặt của tấm plastic; hình c) vết khắc được nối dài thêm làm cho hai nón etch-pit nối liền với nhau tạo thành một cái lỗ. Có thể đo lường chính xác Z/ của hạt ra các giá trị Z/ lớn, điều này được chỉ ra ở hình 1.16. Hình 1.16 . So sánh thiệt hại của hạt rất thấp và cao trong NTD Hình 1.17 . Ảnh quét hiển vi điện tử các etch-pit tạo bởi các ions Fe 26 keV/u với Các NTD nhạy hơn với năng lượng tích tụ trong quầng sáng của các tia do bức xạ dập tắt trong vùng lõi dày đặc gần một vĩ đạo đơn cực. Các NTD sau khi bị khắc được quét qua kính hiển vi điện tử. Có những dấu hiệu đặc biệt trên các NTD cho phép xác định vị trí lỗ chính xác ít hơn 100 trong nhiều lớp NTD được dùng trong thực nghiệm. Đơn cực từ là những hạt ion hóa rất mạnh do đó những dấu vết mà nó để lại trên các tấm NTD sẽ lớn hơn và sâu hơn so với các hạt ion hóa khác. CHƯƠNG 2: TÌM KIẾM ĐƠN CỰC TỪ TRONG TỰ NHIÊN 2.1 Đơn cực từ GUT 21TLý thuyết thống nhất lớn (GUT) của lực điện yếu và tương tác mạnh tiên đoán sự tồn tại của các đơn cực từ siêu nặng với khối lượng dự kiến là: 21T 21T GeV, khối lượng này là quá lớn nên không thể tạo ra trong bất kỳ máy gia tốc nào. Tuy nhiên chúng có thể đã được tạo ra trong giai đoạn vũ trụ ban đầu như các lỗi topo thông qua cơ chế Kibble trong giai đoạn chuyển tiếp phá vỡ tính đối xứng và có thể được tìm kiếm trong bức xạ xuyên vũ trụ. Các khối lượng đơn cực từ lớn hơn đang được trông đợi nếu có thể đưa lực hấp dẫn vào bức tranh thống nhất và một số mô hình siêu đối xứng. 21TCác đơn cực từ có khối lượng trung cấp có thể được sinh ra trong các pha chuyển tiếp trễ hơn trong vũ trụ ban đầu, trong đó một nhóm gause bán nguyên sinh ra một nhóm U(1). Các đơn cực từ trung cấp với khối lượng 21T 21T có thể được gia tốc đến vận tốc tương đối trong từ trường thiên hà và một vài vị trí thiên thể giống như từ trường của các nuleic thiên hà động và thập chí là các sao neutron. Các đơn cực từ được tích lũy và tập trung lại, nhiều đơn cực từ trung cấp mạnh có thể sinh ra các tia vũ trụ năng lượng cao nhất. 21TĐơn cực từ khối lượng thấp nhất phải tồn tại vì từ tích được bảo toàn như điện tích, do đó các đơn cực từ được sinh ra trong vũ trụ ban đầu vẫn phải tồn tại như những di vật vũ trụ, động năng của đơn cực bị tác động bởi nhiều yếu tố, đầu tiên bởi sự giãn nỡ của vũ trụ và sau đó bị tác động bởi hành trình của đơn cực xuyên qua ngân hà và các từ trường ở giữa những thiên hà. 21TCác đơn cực GUT trong bức xạ vũ trụ có vận tốc thấp và năng lượng mất mát tương đối lớn; chúng được tìm kiếm tốt nhất dưới lòng đất trong các bức xạ vũ trụ thâm nhập. Các đơn cực từ trung cấp có thể được tìm kiếm tại các phòng thí nghiệm cao hơn mực nước biển, trong các bức xạ đi xuống và các bức xạ đi lên nếu năng lượng lớn. Ngoài ra người ta còn tìm kiếm đơn cực từ GUT trong các vật chất như đá mặt trăng, nước biển , các thiên thạch rơi xuống trái đất. 16TƯớc tính16T 16Tmật độ16T 16Tđơn cực16T 16Tban đầu16T, và sự giảm mật độ đơn cực do sự hủy diệt đơn cực – phản đơn cực, dự đoán mật độ đơn cực ngày nay vượt qua nhiều giới hạn thực nghiệm và vật lý thiên văn. Sự lạm phát vũ trụ và các giải pháp khác được đề xuất về vấn đề đơn cực nguyên thủy nói chung đều dẫn đến mật độ đơn cực ngày này nhỏ hơn mật độ đơn cực có thể được phát hiện một cách chắc chắn theo hàm mũ, mặc dù các mật độ có khả năng quan sát có thể thu được trong các kịch bản tìm kiếm đã cẩn thận điều chỉnh các thông số. 2.1.1 các giới hạn tìm kiếm trong vật lý thiên văn và vũ trụ. 21TCác giá trị giới hạn thông lượng đơn cực trong bức xạ vũ trụ thu được từ các xem xét trong vật lý thiên văn và vũ trụ [4] [8] [9]. • 21TGiới hạn thông lượng đơn cực từ mật độ tới hạn của vũ trụ. 21TGiới hạn này thu được từ yêu cầu mật độ khối lượng đơn cực phải nhỏ hơn mật dộ tới hạn 21T 21T của vũ trụ. Với khối lượng đơn cực 21T 21T GeV thì giới hạn thông lượng đơn cực từ là: 21T 21T (21T 21T). Các đơn cực phân bố không đồng đều trong vũ trụ. Nếu các đơn cực tập trung trong các thiên hà thì giới hạn thông lượng có thể lớn hơn rất nhiều. • 21TGiới hạn thông lượng đơn cực từ từ trường thiên hà. Giới hạn Parker. 21TGiả định các đơn cực từ trong vũ trụ được tăng tốc trong từ trường thiên hà 21T 21T. Sự tăng tốc này sẽ làm mất mát năng lượng của từ trương thiên hà. Parker lý luận rằng từ trường thiên hà chỉ có thể tồn tại khi tốc độ giảm năng lượng cho một thông lượng đơn cực nhỏ hơn thang thời gian để năng lượng từ trường thiên hà được tái tạo từ các nguồn phát vũ trụ. Với luận cứ này Parker đã thu được một giới hạn thông lượng các đơn cực gọi là giới hạn Parker đối với thông lượng đơn cực . Đối với các đơn cực chậm (21T 21T) với khối lượng nằm trong các giá trị của thang năng lượng 21T 21T GeV thì giới hạn thông lượng Parker đối với thông lương đơn cực là • 21TGiới hạn thông lượng đơn cực từ từ các ngôi sao lập di 21T 21T và các ẩn tinh. 21TCác sao lập dị 21T 21T có từ trường 21T 21TG có chiều ngược với moment quay của chúng. Một đơn cực từ với 21T 21T sẽ dừng lại trong các ngôi sao 21T 21T; do đó số lượng các đơn cực từ tăng lên theo thời gian nếu bỏ qua sự hủy diệt đơn cực – phản đơn cực trong sao. Các đơn cực sau đó sẽ là xúc tác phân ra proton. Năng lượng giải phóng trong phân rã làm cho độ sáng của sao tăng lên một cách dễ thấy. Rất nhiều các giới hạn đa dạng đã thu được từ sao lùn trắng, sao neutron, và các hành tinh của sao Mộc. Dựa vào mặt cắt xúc tác và các kịch bản chi tiết như mật đơn cực từ tích tụ giảm xuống bao nhiêu do sự hủy diệt đơn cực-phản đơn cực và các đơn cực từ đã tích tụ trong các sao nguyên thủy tồn tại trong các suy sụp của nó là sao lùn trắng và sao neutron. Các giới hạn thông lượng đơn cực từ thu được theo cách này là 2.1.2 Tìm kiếm đơn cực từ bị giữ trong vật chất 16TĐơn cực16T 16Tđã16T 16Tđược16T 16Ttìm kiếm16T 16Ttrong16T 16Tmột16T 16Tloạt16T 16Tcác16T 16Tvật liệu với16T 16Tsố lượng lớn16T. 16TGiả định16T các vật liệu này đã16T hấp thụ16T các 16Ttia bức xạ16T 16Tvũ trụ16T 16Tđơn cực16T 16Ttrong một16T 16Tthời gian16T rất 16Tlâu có thể đến hàng16T 16Ttriệu năm16T. Các 16Tvật liệu16T 16Tđã được16T 16Tnghiên cứu16T 16Tbao gồm16T 16Tđá16T 16Tmặt trăng [10]16T, 16Tthiên thạch16T, 16Tcác mẫu16T ferro16Tmangan16T, đá phiến, quặng sắt, 16Tnước16T 16Tbiển và các vật liệu khác16T. Thiết bị dò là một cuộn dây siêu dẫn với một SQUID. Các đơn cực từ bị mắc kẹt trong các mẫu thí nghiệm khi di chuyển qua cuộn dây siêu dẫn sẽ gây ra một bước nhãy trong dòng được tạo ra trong cuộn siêu dẫn. Bảng 2.1 liệt kê các thí nghiệm tìm kiếm đơn cực từ trong vật chất [11]. Bảng 2.1: Thống kê các thí nghiệm tìm kiếm đơn cực từ trong vật chất Mật độ Từ tích Vật liệu Sự kiện Tài liệu năm Kỹ thuật 1/3 Thiên thạch và vật liệu khác 0 JEON 95 INDU 0:6 Quặng sắt 0 EBISU 87 INDU 0:5 Đá phiến 0 KOVALIK 86 INDU 0:5 Các mẫu manganese 0 KOVALIK 86 INDU 0:5 Nước biển 0 KOVALIK 86 INDU >1.E+14/gram >1/3 Hạt nhân sắt ngưng tụ >1 MIKHAILOV 83 SPEC <6.E−4/gram Không khí, nước biển 0 CARRIGAN 76 CNTR 0:0 4 11 vật liệu 0 CABRERA 75 INDU 0:0 5 Đá mặt trăng 0 ROSS 73 INDU <6.E−7/gram <140 Nước biển 0 KOLM 71 CNTR <1.E−2/gram <120 Các mẫu mangan 0 FLEISCHER 69 PLAS 0 mangan 0 FLEISCHER 69 PLAS <2.E−3/gram <1{3 magnetit, sao băng 0 GOTO 63 EMU L <2.E−2/gram Thiên thạch 0 PETUKHOV 63 CNTR Từ sự thiếu vắng các ứng cử đơn cực từ trong các thí nghiệm có thể kết luận tỉ lệ đơn cực/nuleon trong các mẫu vật chất thí nghiệm với độ tin cậy là 90 . 2.1.3 tìm kiếm đơn cực từ trong các bức xạ vũ trụ 21T ìm kiếm trực tiếp các đơn cực từ trong các tia vũ trụ được thực hiện với các thiết bị dò như thiết bị cảm ứng siêu dẫn và các NTD. Gần đây các thí nghiệm tận dụng các lớp thiết bị dò rộng lớn. Thí nghiệm MACRO tại phòng thí nghiệm Gran Sasso [12] dưới lòng đất sử dụng21T ba loại máy dò: chất lỏng scintillator, các ống hẹp và máy dò các vết hạt nhân (NTDs, CR39 và Lexan) về cơ bản có thể độc lập với nhau hoặc kết hợp, cung cấp một tổng diện tích dò cho một thông lượng đẳng hướng. Ngoài ra MACRO còn sử dụng thêm nhiều thiết bị điện tử phức tạp khác cho phép tìm kiếm trong phạm vi vận tốc khác nhau. Không có đơn cực nào được tìm thấy; giới hạn thông lượng tương ứng với được chỉ ra ở hình 2.2 với độ tin cậy 90 của các đơn cực từ với từ tích : các giới hạn đạt ở mức 21T với vận tốc 21T 21T, trong hình 2.2 cũng chỉ ra giới hạn từ các thí nghiệm Ohya, Baksan, Baikal, và AMANDA [13]. 21THình 2.1: Máy dò Macro tại phòng thí nghiệm Gran Sasso 21THình 2.2: Các giới hạn thông lượng ở MACRO theo 21T 21T đối với các đơn cực từ GUT 21T 21T trong bức xạ vũ trụ thẩm thấu với độ tin cậy 21T 21T, được so sánh với các giới hạn trong các thí nghiệm khác. 21THình 2.3: Hình bên trái: minh họa xúc tác đơn cực của phân rã proton. Hình bên phải: các giới hạn trên của thông lượng đơn cực từ tạo ra phân rã proton tại MACRO 21TSư tương tác của lổi đơn cực từ GUT với các nuleon có thể dẫn đến phản ứng phân rã ncleon (xúc tác đơn cực từ của phân rã nuleon), 21T 21T. Như hình2.4 .21T 16TQuá trình16T 16Txúc tác16T 16Tcó thể16T 16Ttiến hành16T 16Tthông qua16T 16Tcơ chế16T 16TRubakov3T16-3TCallan 16Tvới16T 16Tmột mặt cắt16T 16Tσ16T 16Ttrong thứ tự mặt cắt của16T 16Tcác16T 16Ttương tác16T 16Tmạnh16T. 16TMACRO16T 16Tthực hiện16T 16Tmột16T 16Ttìm kiếm16T 16Tchuyên dụng16T 16Tvề sự phân hủy nucleon16T 16Tgây ra bởi đường đi của đơn cực từ16T 16TGUT16T 16Ttrong16T 16Thệ thống16T 16Tống16T 16Thẹp16T. Giới hạn thông lượng đơn cực từ thu được là một hàm của 16Tvận tốc16T 16Tđơn cực và mặt cắt xúc tác16T. Các đơn cực từ tương đối với khối lượng trung cấp , có thể tồn tại trong các bức xạ vũ trụ. Các đơn cực từ trung cấp có thể được gia tốc đến một giá trị lớn trong một phạm vi cố kết của từ trường thiên hà. Do đó có thể tìm kiếm các đơn cực nhanh có khả năng ion hóa mạnh với . Các thiết bị dò trên bờ mặt trái đất có thể phát hiện các đơn cực từ trung cấp nếu khối lượng của chúng lớn hơn GeV; các đơn cực từ trung cấp khối lượng nhỏ hơn có thể được tìm kiếm với các máy dò đặt tại các đỉnh núi cao, hoặc trong các kinh khí cầu và trong các vệ tinh. Hình 2.4 thể hiện các giới hạn thông lượng đơn cực trung cấp có vận tốc nhanh và rất nhanh với khối lượng thu được bởi các thí nghiệm MACRO và Ohya 16THình 2.4: Hình bên trái: các giới hạn trên của thông lượng đơn cực từ trung cấp với khối lượng 16T theo . Hình bên phải: các giới hạn trên của thông lượng đơn cực từ trung cấp từ thí nghiệm SLIM Thí nghiệm SLIM [14] tìm kiếm các đơn cực từ trung cấp nhanh với các máy dò dấu vết hạt nhân gồm 440 mP2P CR39 và các máy dò Makrofol được tiếp xúc 4 năm với bức xạ vũ trụ tại phòng thí nghiệm Chacaltaya. Nhạy với các đơn cực từ có và nếu , và trong vùng nếu . Một vùng 351 mP2P các tấm SLIM CR39 phơi trong bức xạ vũ trụ 4 năm đã được khắc axit và phân tích. Không có ứng cử viên đơn cực nào được tìm thấy, giới hạn thông lượng đơn cực trung cấp đi xuống với và được thể hiện trong hình 2.4 bên phải với độ tin cậy là 90 Bảng 2.2: Thống kê tất cả các thí nghiệm tìm kiếm đơn cực từ trong bức xạ vũ trụ [11] “caty” trong cột từ tích cho biết đây là thí nhiệm tìm kiếm đơn cực từ xúc tác phân rã nucleon. Giới hạn thông lượng (cmP−2PsrP−1PsP −1 P) Khối lượng (GeV) Từ tích (g) Các chú thích (β=v/c) Sự kiện Nhóm thức hiện 21Tnăm Kỹ thuật <1.4E−16 21T 1.1E−4 < β < 1 0 AMBROSIO 02B MCRO <3E−16 Caty 1.1E−4< β<5E−3 0 AMBROSIO 02C MCRO <1.5E−15 1 5E−3 < β < 0.99 0 AMBROSIO 02D MCRO <1E−15 1 1.1 × 10P−4P −0.1 0 AMBROSIO 97 MCRO <5.6E−15 1 (0.18 – 3.0)E−3 0 P PAHLEN 94 MCRO <2.7E−15 Caty β ~ 1× 10P−3 0 BECKER-SZ... 94 IMB 2.E−3 0 THRON 92 SOUD <4.4E−12 1 Tất cả β 0 GARDNER 91 INDU <7.2E−13 1 Tất cả β 0 HUBER 91 INDU E12 1 β =1.E−4 0 ORITO 91 PLAS E10 1 β > 0.05 0 ORITO 91 PLAS E10 −E12 2,3 0 ORITO 91 PLAS <3.8E−13 1 Tất cả β 0 BERMON 90 INDU <5.E−16 Caty β<1.E−3 0 BEZRUKOV 90 CHER 1.1E−4 0 BUCKLAND 90 HEPT <1E−18 3.E−4<β<1.5E−3 0 GHOSH 90 MICA <7.2E−13 1 Tất cả β 0 HUBER 90 INDU E7 1 3.E−4 <β<5.E−3 0 BARISH 87 CNTR <1.E−13 Caty 1.E−5 < β <1 0 BARTELT 87 SOUD <1.E−10 1 Tất cả β 0 EBISU 87 INDU <2.E−13 1.E−4 < β<6.E−4 0 MASEK 87 HEPT <2.E−14 4.E−5 <β<2.E−4 0 NAKAMURA 87 PLAS <2.E−14 1.E−3 < β <1 0 NAKAMURA 87 PLAS <5.E−14 9.E−4< β<1.E−2 0 SHEPKO 87 CNTR <2.E−13 4.E−4 < β <1 0 TSUKAMOTO 87 CNTR <5.E−14 1 Tất cả β 1 P PCAPLIN 86 INDU <5.E−12 1 0 CROMAR 86 INDU <1.E−13 1 7.E−4 < β 0 HARA 86 CNTR <7.E−11 1 Tất cả β 0 INCANDELA 86 INDU <1.E−18 4.E−4 < β<1.E−3 0 PRICE 86 MICA <5.E−12 1 0 BERMON 85 INDU <6.E−12 1 0 CAPLIN 85 INDU <6.E−10 1 0 EBISU 85 INDU <3.E−15 Caty 5.E−5 ≤ β ≤1.E−3 0 KAJITA 85 KAMI <2.E−21 1 β <1.E−3 0 KAJITA 85 KAMI <3.E−15 1 1.E−3 < β<1.E−1 0 PARK 85B CNTR <5.E−12 1 1.E−4 < β <1 0 BATTISTONI 84 NUSX <7.E−12 1 0 INCANDELA 84 INDU <7.E−13 1 3.E−4 < β 0 KAJINO 84 CNTR <2.E−12 3.E−4 < β<1.E−1 0 KAJINO 84B CNTR <6.E−13 1 5.E−4 < β <1 0 KAWAGOE 84 CNTR <2.E−14 1.E−3 < β 0 KRISHNA... 84 CNTR <4.E−13 1 6.E−4 < β<2.E−3 0 LISS 84 CNTR <1.E−16 1 3.E−4 < β<1.E−3 0 PRICE 84 MICA <1.E−13 1.E−4 < β 0 PRICE 84B PLAS <4.E−13 6.E−4 < β<2.E−3 0 TARLE 84 CNTR 7 ANDERSON 83 EMUL <4.E−13 1.E−2 < β <1.E−3 0 BARTELT 83B CNTR <1.E−12 7.E−3 < β <1 0 BARWICK 83 PLAS <3.E−13 1.E− 3 <β<4.E−1 0 BONARELLI 83 CNTR <3.E−12 5.E−4 < β<5.E−2 0 BOSETTI 83 CNTR <4.E−11 0 CABRERA 83 INDU <5.E−15 1.E−2 < β <1 0 DOKE 83 PLAS <8.E−15 1.E−4 < β <1.E−1 0 ERREDE 83 IMB <5.E−12 1.E−4 < β <3.E−2 0 GROOM 83 CNTR <2.E−12 6.E−4 < β <1 0 MASHIMO 83 CNTR <1.E−13 β =3.E−3 0 ALEXEYEV 82 CNTR <2.E−12 7.E−3 < β <6.E−1 0 BONARELLI 82 CNTR 6.E−10 Tất cả β 1 CABRERA 82 INDU <2.E−11 1.E−2 < β <1.E−1 0 MASHIMO 82 CNTR <2.E−15 Chất lỏng concentrator 0 BARTLETT 81 PLAS 1 1.E−3 < β 0 KINOSHITA 81B PLAS <5.E−11 <E17 3.E−4 < β<1.E−3 0 ULLMAN 21T81 CNTR <2.E−11 concentrator 0 BARTLETT 78 PLAS 1.E−1 >200 1 PRICE 75 PLAS <2.E−13 0 FLEISCHER 71 PLAS <1.E−19 obsidian, mica 0 FLEISCHER 69C PLAS <5.E−15 <15 concentrator 0 CARITHERS 66 ELEC <2.E−11 concentrator 0 MALKUS 51 EMUL 21TMặc dù tìm kiếm đơn cực từ trong các bức xạ vũ trụ đã được thực hiện từ sớm với rất nhiều các thí nghiệm bằng kỹ thuật cảm ứng và NTD. Tuy nhiên, hầu như không ai tìm thấy một sự kiện đơn cực từ nào chắc chắn. Một trong những sự kiện nỗi tiếng được phát hiện bởi Blas Cabrera trong thí nghiệm SLAC vào đêm 4 tháng 2 năm 1982 nên được gọi làValentine đơn cực từ. Trong thí nghiệm này người ta sử dụng một kỹ thuật gọi là máy dò giao thoa lượng tử siêu dẫn hay SQUID. Kết quả được thể hiện trong hình 2.5. Một sự kiện lớn duy nhất được ghi nhận (hình b) có thể là băng chứng của đơn cực từ. Tuy nhiên chưa bao giờ lập lại bằng chứng về sự tồn tại của đơn cực đó. 21T Hình 2.5: Dữ kiện ghi lại chỉ ra rằng (a) tính đặc trưng ổn định (b) sự kiện giả đơn cực Một thí nghiệm trêu ngươi khác của đơn cực vũ trụ vào năm 1975 thực hiện bởi một nhóm các nhà khoa học dẫn đầu là P. Buford Price, kết quả thí nghiệm công bố phát hiện một chuyển động đơn cực từ. 21T Thí nghiệm Berkeley thực hiện bao gồm hơn 30 tấm nhựa Lexan để phát hiện của các hạt ion hóa, và dẫn đến một thống nhất 21Tlà 21Tion hóa tương đương với Z = 137. Các kết quả đã hoàn toàn nhất quán 21T 21Tvới một đơn cực từ nặng, tuy nhiên, ngay sau đó21T Alvarez đã chỉ ra rằng, hạt trong thí nghiệm mà Price cho là đơn cực từ thật ra đó là hạt nhân Platin có điện tích bằng 78 lần điện tích nguyên tố chứ không phải là 137 như đã thông báo. Trên đường đi hạt nhân Platin phóng ra một hạt α và chuyển thành hạt nhân Osimi (Z=76). Sau đó hạt nhân Osimi lại phóng xạ và chuyển thành hạt nhân Tantan (Z=73). Do có sự phóng xạ ngay trên đường đi của hạt nên độ đậm của vết ở lớp nhũ tương có vẽ như không đổi. 2.2 Một thể hiện của đơn cực từ trong môi trường vật chất đông đặc Một hướng tiếp cận mới để khám phá các đơn cực từ. Năm 2009 những chuẩn hạt đơn cực từ nỗi trong môi trường vật chất đông đặc tương tự như đơn cực từ Dirac đã được phát hiện trong các tinh thể băng spin pyrochlore [15] [16] bởi Claudio Castelnovo (Oxford), Jonathan Morris (Trung tâm Helmholtz, Berlin), Tom Fennell (Viện Laue-Langevin, Grenoble)...và tháng 10 năm 2010 các nhà khoa học cũng đã công bố có thể quan xác thấy các dây Dirac khi các giả đơn cực này di chuyển trong băng spin nhân tạo kagome [17]. Các tinh thể băng spin pyrochlore được tìm ra năm 1997 bởi Mark Harris (Đại học Oxford). Một tinh thể như thế là Dy R2RTi R2RO R7R, dysprosium titanate, các nguyên tử O trong tinh thể nằm trên đỉnh của một hình tứ diện. Hệ thống này có thể được mô tả bởi một mạng tứ diện tạo thành lưới pyrochlore của các moment từ spin như hình 2.7. Mỗi tứ diện có bốn spin ở đỉnh,có phương nằm trên đường thẳng nối tâm của hai tứ diện kế cận nhau. Hình ._.