シングル・ポール・マジェント

ポット・マグネット

理論科学者が追い求める最も不可解な「白鯨」のひとつが、磁極がひとつしかない磁場である「磁気単極子」である。

磁気単極子は、現代物理学に影響を与える可能性があるため、ヒッグス粒子よりも長い間科学者の頭を悩ませてきた。そして今、磁気単極子に似た2つの現象が組み合わさったことで、それを発見する最大の可能性がより奇妙なものになった。

磁気単極子をご存じない方は、量子物理学が長い間予期していたものの、誰も実際に存在することを証明できなかった架空の粒子である。

少なくとも一部の科学者にとっては、磁気単極子が存在しないと認識されていることが、磁気単極子の性質についての理解を複雑にしているのだから。

重力、電磁気力、強い核力、弱い核力は、私たちの宇宙を支配する4つの基本的な要素である。

ポット・ネオジム磁石

電磁気力は電気と磁気の相互作用の結果であるが、この2つは理想的な結合と思われるほど密接な関係にはない。

不思議なことに、磁石を半分に割っても、それぞれの部品には北極と南極がある。磁石にこのような極があることは誰でも知っている。

その磁石は、原子レベル（単極子）に至るまで、何度真っ二つに切っても1極ではなく2極（双極子）になる。

磁気単極子は自然界ではまだ発見されていない。

真の北極か南極を持つ磁石である。電荷としても知られる電気単極子は、私たちの身の回りに溢れているのだから。

さらに、電磁気学の性質を説明する基本公式は、電気と磁気を対称的に扱っている。構成要素の合計が対称なら、個々の部品が非対称であるわけがない。

モノポール・ダイポール

単極ネオジム磁石
左側の磁気双極子。磁気モノポール。写真：Maschen/Wikimedia

スウィンバーン工科大学のオーストラリア人素粒子科学者T'Mir Danger Juliusは、『The Conversation』に「電気モノポールは、陽子や電子のようなプラスまたはマイナスの電荷を持つ粒子の形で存在する」と述べている。

「磁気モノポールは見たことがないが、荷電粒子の形をした電気モノポールは発見できる。

1930年代にポール・ディラックが、このような粒子が自然界に存在するかもしれないという理論を唱えたにもかかわらず、研究者たちが実験室で磁気単極子粒子を製造するのに80年以上かかった。

マサチューセッツ州のアマースト大学とフィンランドのアールト大学のチームは2014年、ディラックが予言したディラック単極子を人工的に合成することに成功したことを明らかにした。

しかし、そのような粒子が宇宙に存在する可能性を示したとはいえ、実際に存在するかどうかを知るにはまだほど遠い。研究者たちは、このディラック単極子を磁気単極子の「アナログ」、つまり、似ているようで実物と異なるものと表現した。

研究者たちは翌年、別の磁気単極子を発見した。

研究チームによれば、各コピーは架空の磁気モノポールの明確な特性を示すという：

単極磁場近傍での荷電粒子の運動を模倣するディラック単極子実験とは対照的に、量子単極子は磁場中で単極子粒子そのものに近似した点状の構造を持つ。

同じ専門家たちが、そのアナログを現在に置き換えてみたところ、予想外の結果を発見した。

実験はかなり詳細に行われたが、一般的には、研究チームはルビジウム原子の非常に希薄な気体を使用し、それをほぼ絶対零度まで冷却してボース・アインシュタイン凝縮体を作り出した。

科学者たちは、この非磁化型の量子モノポールを開発した。

この量子モノポールは、いわゆるトポロジカル点欠陥の一例であり、凝縮体の非磁化状態において、一定の再形成では除去できない構造に囲まれた空間上の特異点であると研究チームは説明している。

その結果、量子モノポールが消滅するだけでなく、その過程でディラック・モノポールも生成されることがわかった。

下図のように、左が量子モノポール、右がディラック・モノポールである。明るさは原子内部の磁気状態の向きを反映し、色はそれを示している。

壊滅の極
オッリカイネン・トゥオマス

アールト大学のミッコ・メットネン氏は、「崩壊からディラック・モノポールが得られることを初めて見たとき、私は宙を舞いました」と述べている。

「私たちが何年もかけて作ってきたモノポールは、この発見によってうまく結びついた。

研究者たちは今、この2種類のモデルが中心で出会うことで、真の磁気モノポールにさらに近くなる可能性があるという、興味深い手がかりを得た。このことが本物の磁気単極子を探す上で何を意味するかは、まだ明らかではない。

幻のダークマターと同様、磁気単極子の発見は、物理学のまったく新しい分野の発見につながるだろう。そして、この専門家たちは誰よりも理解に近づいている。

壊滅の極
オッリカイネン・トゥオマス

アールト大学のミッコ・メットネン氏は、「崩壊からディラック・モノポールが得られることを初めて見たとき、私は宙を舞いました」と述べている。

「私たちが何年もかけて作ってきたモノポールは、この発見によってうまく結びついた。

研究者たちは今、この2種類のモデルが中心で出会うことで、真の磁気モノポールにさらに近くなる可能性があるという、興味深い手がかりを得た。このことが本物の磁気単極子を探す上で何を意味するかは、まだ明らかではない。

幻のダークマターと同様、磁気単極子の発見は、物理学のまったく新しい分野の発見につながるだろう。そして、この専門家たちは、誰よりも早く、その解明に近づいたのである。

磁石の北極と南極は、磁石を半分に切ることで分離でき、独立した北極と南極を持つ2つの小さな磁石ができる。しかし、一部の科学者は、この法則を無視する未発見のエキゾチック磁性粒子が存在するかもしれないと考えている。

北極または南極を1つだけ持つ、磁気モノポールとして知られるこの架空の存在の探索は、現在本格化している。粒子加速器や恒星の残骸から得られた情報をもとに、2つの研究チームは現在、粒子の重さや特徴をさらに絞り込んでいる。

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磁気モノポールが存在するという確かな証拠がある。

ある科学者によれば電荷は量子化される、つまり、なぜ電荷は連続的なスペクトルの値ではなく、常に電子の電荷の整数倍で現れるように見えるのか、それは粒子の存在によって説明される。そのため、磁気モノポールは広く使われている。カナダのエドモントンにあるアルバータ大学の素粒子物理学者、ジェームズ・ピンフォールドは、"多くの人々が磁気モノポールは存在するはずだと思い込んでいる "と考えている。

磁気単極子が1つでも発見されれば、物理学の根幹は変わってしまうだろう。電気と磁気を制御する公式は互いに完全に重複しているにもかかわらず、2つの現象には大きな違いがある。陽子と電子がそれぞれプラスとマイナスの電荷を持つだけである。

もしそれが見つかれば、最終的に電気と磁気が対等な関係になる。

何年もの間、研究者たちは磁気単極子を無駄に探し続けてきた。ジュネーブにあるCERN素粒子物理学研究所の大型ハドロン衝突型加速器での最近の研究により、この探索は活性化した。13兆電子ボルトという記録的なエネルギーで陽子を衝突させると、そこで磁気単極子が形成される可能性がある。

悲しいことに、ピンフォールドと同僚たちは、LHCのMonopole and Exotics Detector（MoEDAL、メダルと発音する）を使って、これまでの6倍のデータを調べたにもかかわらず、磁気モノポールを発見することはできなかった。しかし、この新しい研究は、架空の粒子間の相互作用の可能性について、これまでで最も厳しい制限を課した。