CHƯƠNG 2: TÌM KIẾM ĐƠN CỰC TỪ TRONG TỰ NHIÊN
2.1.3 tìm kiếm đơn cực từ trong các bức xạ vũ trụ
21T
Tìm 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 21Tvới vận tốc 21T 21T, trong hình 2.2 cũng chỉ ra giới hạn từ các thí nghiệm Ohya, Baksan, Baikal, và AMANDA [13].
21T
Hình 2.1: Máy dò Macro tại phòng thí nghiệm Gran Sasso
21T
Hình 2.2: Các giới hạn thông lượng ở MACRO theo 21T 21Tđối với các đơn cực từ GUT
21T 21Ttrong bức xạ vũ trụ thẩm thấu với độ tin cậy 21T 21T, được so sánh với các giới hạn trong các thí nghiệm khác.
21T
Hình 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
21T
Sư 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 .21T16TQuá trình16T16Txúc tác16T16Tcó thể16T16Ttiến hành16T16Tthông qua16T16Tcơ chế16T16TRubakov3T16T-3TCallan 16Tvới16T16Tmột mặt cắt16T16Tσ16T16Ttrong thứ tự mặt cắt của16T16Tcác16T 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 16TGUT16T16Ttrong16T16Thệ thống16T 16Tống16T 16Thẹp16T. Giới hạn thông lượng đơn cực từ thu được là một hàm của 16Tvận tốc16T16Tđơn 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
16T
Hình 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 mP
2
PCR39 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 mP
2
P
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 −2 P srP −1 P sP −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 21T1 1.1E−4 < β < 1 0 AMBROSIO 02B MCRO
<1.5E−15 1 5E−3 < β < 0.99 0 AMBROSIO 02D MCRO
<1E−15 1 1.1 × 10P
−4
P−0.1 0 AMBROSIO 97 MCRO
<5.6E−15 1 (0.18 – 3.0)E−3 0 PPAHLEN 94 MCRO
<2.7E−15 Caty β ~ 1× 10P
−3 0 BECKER-SZ... 94 IMB
<8.7E−15 1 >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
<3.7E−15 >E12 1 β =1.E−4 0 ORITO 91 PLAS
<3.2E−16 >E10 1 β > 0.05 0 ORITO 91 PLAS
<3.2E−16 >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
<1.8E−14 1 β >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
<5.E−12 >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 PPCAPLIN 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
<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.E−13 >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
<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
21T
Mặc 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 21T21Tvới một đơn cực từ nặng, tuy nhiên, ngay sau đó21TAlvarez 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.