A Maxvell-egyenletek teremtette lehetőségekkel élve és felhasználva azt a tényt, hogy nem ismerünk egyetlen olyan fizikai törvényt sem, mely kizárná a mágneses töltés létezését (lásd cikkünket A Hét 33/1972 számában), Dirac 1931-ben a következő fontos eredményre jutott: ha mágneses monopólus létezik, akkor annak kvantumjellegűnek kell lennie. A mágneses töltés kvantifikálásából következik, Dirac számításai alapján, az elektromos töltés kvantumos természete is, melynek kvantuma egyenlő e-vel, vagyis az elektron töltésének kísérletileg nagyon is jól ismert értékével, így a mágneses monopólus feltételezése nem csupán az elektrodinamika természetes általánosítását vonná maga után, hanem az elektromos töltés kvantifikálását is.
Ez azért is fontos, mert az elektromos töltés kvantumos tulajdonságát eddig is gazdag kísérleti anyag bizonyította, de mind ez ideig nem ismertük annak elvi, elméleti magyarázatát. A mágneses monopólus feltételezéséből viszont egyenesen következik, most már elméletileg is, az elektromos töltés kvantifikálása.
Vizsgáljuk meg röviden, milyen jelentősebb fizikai tulajdonságokkal rendelkezik ez a hipotetikus mágneses részecske.
Dirac számításai szerint az elemi elektromos (e) és mágneses (g) töltések értékei között a következő kapcsolat áll fenn: g = 68,5 e, vagyis a mágneses töltés értéke 68,5-szer nagyobb, mint az elemi elektromos töltésé. Ez azt jelenti, hogy két mágneses töltés kölcsönhatása 68,5 x 68,5 = 4692-szer erősebb, mint az egymástól ugyanolyan távolságra lévő elektromos töltések között létrejövő hasonló kölcsönhatás. Innen továbbá az is következik, hogy ebben az esetben valójában egy teljesen új kölcsönhatásról lehet szó, mely nemcsak az elektromágneses kölcsönhatásnál erősebb, hanem intenzitásban felülmúlja a természetben eddig ismert legerősebb, a nukleáris kölcsönhatást is.
A mágneses monopólus másik fontos fizikai tulajdonsága a nyugalmi tömeg. E. Amaldi neves olasz fizikus becslései szerint az elemi mágneses töltéseket hordozó részecsketömege (mg) feltétlenül nagyobb kell hogy legyen minden eddig ismert elemi részecske tömegénél. A számításokból az derült ki, hogy a mágneses monopólus tömege 2,26-szorosa a proton nyugalmi tömegének. Ez az érték tulajdonképpen a monopólus nyugalmi tömegének egy alsó határértéke. A valósághoz valószínűleg közelebb áll az a kísérleti eredményként kapott érték, mely a szinkrofazotron típusú részecskegyorsítókkal végzett mérésekből adódott. A legutóbbi szerpuhovi (Szovjetunió) kísérletek azt mutatják, hogy ha a monopólus létezik, úgy annak tömege nagyobb kell legyen, mint 5 protontömeg. A mágneses monopólus többi tulajdonságára (például sugaruk nagysága vagy a mágneses töltéspároknak a nagy energiájú részecskék ütközésénél való keletkezési hatáskeresztmetszete) vonatkozó ismereteink nagyon kezdetlegesek és pontatlanok.
A monopólusok spinjéről Dirac az erre vonatkozó első dolgozatában azt állította, hogy 1/2-es értékű (h = 1 egységekben), tehát fermion típusú monopólusokról beszélt. Azonban ahogy léteznek 1-es spinnel rendelkező elektromos részecskék, nem zárhatjuk ki a bozon típusú (a zérus vagy 1 értékű spinnel rendelkező) mágneses részecskék létezését sem.
Dirac és Amaldi szerint a mágneses monopólus az elektronhoz hasonlóan stabil részecske kell legyen, tehát közepes élettartama végtelen. Egyetlen annihilálódási, szétsugárzódási lehetőség ezek szerint az ellenkező mágneses töltésű részecskével (a monopólus antirészecskéjével) való találkozás.
Nemrég Julian Schwinger, a Harvard egyetem (USA) Nobel-díjas professzora egyik, a Science-ben megjelent új cikkében jelentős mértékben továbbfejlesztette Diracnak a mágneses monopólusra vonatkozó nézeteit. Az új elmélet szerint, amelyet az anyag mágneses modelljének nevezett, feltételezi olyan részecskék létezését, melyeknek egyszerre van mágneses és elektromos töltésük is, de ezek értéke nem e-vel és g-vel egyenlő, hanem azok tört részeivel, 1/3 e és 1/3 g-vel. Ezt elképzelhetjük úgy is, mint egy 1/3 e töltésű kvarknak és egy 1/3 g töltésű Dirac-féle monopólusnak a kombinációját. Schwinger dyonoknak nevezte ezeket a kettős töltéssel rendelkező furcsa részecskéket. Szerinte ha ezek valóban léteznek, és ha kísérleti úton meg is találják őket, úgy megoldódnának a kvarkelmélet még tisztázatlan kérdései, valamint a CP-sértés számos rejtélyes problémája is.
Ahhoz, hogy a Dirac-féle monopólus vagy a Schwinger-féle dyonok kísérleti kimutatásáról beszélhessünk, tisztázni kell először keletkezési lehetőségeiket, az anyaggal való kölcsönhatásuk, valamint a mágneses töltéssel rendelkező részecskék detektálási módozatait.
Tételezzük fel tehát, hogy Dirac monopólusai vagy a Schwinger megjósolta dyonok léteznek a valóságban; feladatunk tehát az, hogy megtaláljuk és detektáljuk őket. Feltevődik a kérdés: hogyan és hol keletkezhetnek a mágneses töltésekkel rendelkező részecskék? Amikor új részecskét keresünk, a kísérleteket rendszerint nagy energiájú részecskegyorsítókkal végezzük. A mágneses monopólusok tömege, amint már arról beszéltünk, nagyon nagy, tehát nagy energiájú részecskék ütközésénél keletkezhetnek mint ellentétes töltésű részecskepárok. Sajnos ami a monopólusok tömegét vagy keletkezési hatáskeresztmetszetüket illeti, az elméleti információink annyira kezdetlegesek, hogy nehéz volna megmondani, mekkora kell legyen az a „nagy energia”, amellyel a gyorsítókban keletkezett részecskéknek rendelkezniük kell ahhoz, hogy a mágneses töltésű részecskepárok biztosan létrejöjjenek. Így nem tudhatjuk, elég nagyok-e a jelenleg létező gyorsítóink ilyen kísérletekre.
A mágneses monopólusok másik lehetséges keletkezési helye a kozmikus sugárzás, amelynek energiája eléri a 1020 eV-ot is. Ezek a nagy energiájú részecskék – származzanak elsődleges vagy másodlagos kozmikus sugárzásból – az atmoszféra atommagjaival ütközve előidézhetik mágneses monopóluspárok keletkezését, még akkor is, ha azok tömege 100 protontömeg lenne.
A kozmikus sugarak segítségével keletkezett mágneses monopólusokkal kapcsolatban A. Porter amerikai fizikus 1960-ban igen érdekes ötletet fogalmaz meg. Szerinte a mágneses monopólusok mint igen nagy energiájú összetevők jelenhetnek meg a primér kozmikus sugárzásban. Tekintettel ezeknek a monopólusoknak igen nagy energiájára, melyre a galaxisok mágneses terében felgyorsulva tesznek szert, feltételezhetjük, hogy a Földre érve igen mélyre hatolnak, különösen a tengerek, óceánok vizébe, egészen az óceánfenékig.
A mágneses monopólusok keletkezési módjával és lelőhelyével kapcsolatban egy másik érdekes elmélet Eichi Goto japán fizikustól, a tokiói Tudományegyetem tanárától származik. Goto professzor, aki különben világviszonylatban is egyik legnevesebb kutatója a mágneses monopólusok kérdésének, még 1958-ban felhívta a figyelmet a mágneses töltések meteoritokban való keletkezési lehetőségére szintén a kozmikus sugarak hatására.
Szerinte ha az egyik a kozmikus sugarak hatására keletkezett monopólus “kellően”, például néhány centiméterre eltávolodik az ellentétes töltésű párjától, már lehetetlenné válik az annihilálódás, és befoghatja őket egy-egy meteorit. Mivel mágneses töltésük nagy, befogási energiájuk sokkal nagyobb kell hogy legyen, mint az elektronoknak a fémekbe való befogási energiája.
Ha most a kozmikus térben lévő vagy a Földre ért meteoritok több száz millió éves korára gondolunk és arra, hogy ennyi éven át ki voltak téve a kozmikus sugárzás hatásának, nem zárhatjuk ki annak lehetőségét, hogy léteznek meteoritek, amelyekben mágneses monopólus keletkezett. Tehát a Föld különböző múzeumaiban található meteoritek is a mágneses monopólusok természetes lelőhelyei lehetnek. Goto szerint ugyanilyen elgondolásból kiindulva meg kellene vizsgálni a Földön található vas és ferromágneses anyagok lelőhelyeit, mert talán ott is ki lehetne mutatni Dirac mágneses monopólusait.
Még egy igen fontos kérdés merül fel ezzel kapcsolatban. Ha a mágneses monopólusok léteznek is a ferromágneses anyagokban (meteoritek vagy vasérc), hogyan lehetne azokat onnan kivonni, ha tudjuk, mekkora mágneses erők kötik őket oda? Ehhez le kell győzni azt az erős kölcsönhatást, amely a ferromágneses anyag és a mágneses töltés között van. Ez lehetséges is lenne több száz kilogauss erősségű pulzáló mágneses tér segítségével.
Mint ismeretes, ilyen erősségű mágneses tér létrehozása ma már elég könnyen megoldható. A másik módszer, amellyel ki lehetne vonni a mágneses monopólust, az ezt tartalmazó anyag melegítése lenne, a megfelelő Curie-hőmérsékletnél nagyobb hőfokra, ahol már megszűnnek a ferromágneses tulajdonságok, vagy használható esetleg a kémiai úton való demagnetizálás (kémiai diszolució).
Az így felszabadított mágneses monopólusok detektálása már nem jelenthet különösebb problémát. Jellemző tulajdonságaik miatt (nagy tömeg és nagy töltésérték, erős kölcsönhatási állandó) különböző anyagokban való ionizációs képességük erősebb kell legyen, mint bármelyik relativisztikus nehéz nukleoné.
Nukleáris emulzióban vagy más részecske-detektorban mint pl. Wilson- vagy buborékkamrában hagyott nyomuk különösen erős kell legyen. Utóbbiakban különleges mágneses viselkedésük is minden kétséget kizáróan elárulná létezésüket.
A továbbiakban foglalkozzunk röviden a mágneses monopóluskutatás kísérleti próbálkozásaival. Az utóbbi 15-20 évben a világ több kutatóközpontjában, különböző módszereket használva, számos kísérletet hajtottak végre. Ezek általában az előbb felsorolt feltételezésekre támaszkodnak, különösen ami a monopólusok keletkezésének módját és helyét, az anyaggal való kölcsönhatásukat, valamint detektálási lehetőségeiket illeti.
Az első monopólus-kísérletet W. V. R. Malkus végezte el a chicagói egyetemen. Ebben a kísérletben a primér kozmikus sugárzás részecskéinek az atmoszféra atommagjaival való ütközésénél keletkezett mágneses monopólusokat keresték, erre a célra egy hatalmas, egy méter hosszú tekercs 250 gauss erősségű mágneses terét használták.
Ennek a tekercsnek az volt a feladata, hogy összegyűjtse és a detektor felé irányítsa a keletkezett monopólusokat. Két hét alatt, amíg a méréseket végezték, egyetlen Dirac-monopólust sem sikerült kimutatni.
1966-ban W. Caruthers, R. Stefanski és R. Adair amerikai fizikusok megismételték Malkus kísérletét, erősebb mágnest használva. Sajnos lényegesen jobb eredményt nekik sem sikerült elérniük.
A gyorsítók nagy energiájú részecskéit felhasználó kísérleteket 1958-ban kezdték meg a világ négy nagy kutatóközpontjában. (1958-ban a Berkeley-i 6 GeV-os bevatront használták, majd 1961-ben a genfi
CERN-ben Amaldi csoportja végezte el kísérleteit. 1962-től kezdve a harmadik csoport, melyet a Nobel-díjas Purcell vezetett, a brookhaveni protonszinkrotronnal próbálkozott. Legújabban pedig, 1970–71-ben, a moszkvai Kurcsatov Atomenergiai Kutató Intézet fizikusai, a szerpuhovi 76 GeV-es szinkrofazotronnal kutattak monopólusok után.)
Sajnos, ez idáig egyik kísérlettel sem sikerült megtalálni a mágneses monopólusokat. A brookhaveni kísérletnél a monopólusok keletkezésének hatáskeresztmetszete nagyon kicsi volt, mindössze 10-40 cm2. Ezeknek a kísérleteknek egyetlen fontosabb eredménye az, hogy a mágneses monopólusok tömegének újabb lehetséges alsó határértékét dolgozták ki.
Annak ellenére, hogy az összes eddigi kísérletek igen-igen csekély eredménnyel jártak, a kísérleti monopólus-kutatás tovább folytatódik, így a batáviai National Accelerator Laboratory 500 GeV energiájú gyorsítójával a kaliforniai Berkeley egyetem fizikusai terveznek újabb kísérletet. Ugyancsak tervbe vettek ilyen irányú próbálkozásokat a CERN új, nagyobb gyorsítójával, ezenkívül Brookhavenben és Szerpuhovban is folyamatban vannak új monopólus-kísérletek.
Egészen más utat követ Goto professzor kutatási programja. Az ő vezetése alatt álló csoport a meteoritekben és ferromágneses anyagokban próbál kimutatni mágneses monopólusokat. A bostoni MIT híres mágnességtani laboratóriumában végezték kísérleteiket, mely az 1963-as években a Dirac-féle monopólusok tanulmányozásának nemzetközi központjává vált. Goto, Ford és Kolm, kiszámítva a monopólusok ferromágneses anyagokkal való makroszkopikus kölcsönhatásának értékét, arra az eredményre jutott, hogy a magnetitből és a vasból, egy 17, illetve 35 Kgauss erősségű mágneses tér segítségével ki lehetne vonni az oda befogott mágneses monopólusokat. Erre a célra építettek egy 170 Kgauss térerősségű hordozható pulzáló mágnest és egy nagy tekercsmágnest, amelynek állandó mágneses tere 126 Kgauss volt. Ezeknek segítségével az Andirondack hegység déli lejtőjén talált magnetitércet és meteoriteket vizsgálták. (A hordozható mágnessel a magnetitérceket tanulmányozták, a tekercsmágnessel pedig a meteoriteket, melyelmek korát 700 millió évre becsülték.) Sajnos mágneses monopólust ez esetben sem sikerült kimutatni.
Porter ötlete, amely szerint a primer kozmikus sugárzásban lennie kell nagy energiájú mágneses monopólusoknak, amelyeket az óceán fenekén, az üledékes réteg mágneses részeiben esetleg ki lehetne mutatni, új kutatásokra, kísérletezésre ösztönözte a fizikusokat. Henry Kolm és munkatársai 1966–68-ban külön e célból felszínre hozott óceáni üledéket vizsgáltak meg, melyet a La Yolla-i Scripps oceanográfiai intézet munkatársai gyűjtöttek, 2-3 km mélységből. Az első eredmények biztatónak mutatkoztak. A nukleáris emulziós lemezeken olyan nyomokat találtak, amelyeket déli pólusú monopólusokkal véltek azonosítani. Később azonban arra a következtetésre jutottak, hogy ezek a nyomok nem elég vastagok ahhoz, hogy a nagy tömegű Dirac-monopólus okozhatta volna őket.
Az emulziós detektorok használatakor előforduló vitatható eredmények elkerülése végett Kolm újrakezdte kísérleteit. Ez alkalommal szcintillációs detektorokat használt, ami igen nagy mérési pontosságot tett lehetővé. A kísérlet eredményeinek végleges feldolgozása még folyamatban van. Egyelőre úgy tűnik, hogy a szcintillációs részecskeszámlálókban keletkezett ionizáció nem zárja ki 1/3 g töltéssel rendelkező monopólusok létezését, ami voltaképpen a Schwinger-féle dyonok mágneses komponensének felfedezését jelentené.
Hangsúlyozzuk azonban, hogy ezek az eredmények csupán az előzetes adatok értelmezésének felelnek meg és ahhoz, hogy véglegesnek tekinthessük őket, a kísérletek sikeres megismétlése szükséges, több más központban és más kutatócsoportok részvételével.
Számos más kísérleti monopóluskutatás közül végül említsük meg a Nobel-díjas amerikai fizikus, Louis Alvarez professzor vezetésével, 1970-ben végrehajtott legújabb kísérleteket, melyek újszerűségükkel vonták magukra a tudományos körök figyelmét.
Alvarez szerint a Holdról hozott talajminták ideális „raktárai” lehetnek a mágneses monopólusoknak és vizsgálatuk ilyenformán esetleg megoldhatná a mágneses töltés létezésének kérdését. A Science-ben nemrég megjelent dolgozatában rámutat, hogy a Holdon levő körülmények kedvezőbbek a mágneses monopólusok befogadására, hiszen a Hold, nem lévén légköre és mágneses tere, inkább ki van téve a nagy energiájú primér kozmikus sugarak bombázásának. Alvarez hipotézisét a Hold „tiszteletreméltó” 3-4 milliárd éves kora is alátámasztja, mert ilyen hosszú idő óta érik a Holdat a kozmikus sugarak. Innen kiindulva Alvarez és munkatársai az Apollo–11 által földreszállított 28 holdkőzet-mintát, összesen 8,37 kg holdanyagot vizsgáltak meg elektromágneses detektálási módszerekkel. Mágneses monopólusokat azonban ennél a kísérletnél sem találtak, de sikerült pontosabban meghatározni a monopólusok keletkezési hatáskeresztmetszetének alsó határértékét, és a kozmikus sugarakban való előfordulásuk gyakoriságát.
A mágneses monopólust még nem sikerült megtalálni, de egyelőre nem ismerjük azt a fizikai törvényt sem, amelyik megmagyarázná, hogy miért nem. A mágneses töltéssel rendelkező részecskék kutatása ma a következő alternatíva elé állítja a fizikusokat: vagy a Dirac-féle monopólusok megtalálása, vagy pedig a létezését megtiltó fizikai alapelv felfedezése. A mágneses monopólussal kapcsolatos kérdések minden bizonnyal korunk fizikájának nagy „rejtélyei”, ma még megoldatlan problémái közé tartoznak. De ne feledjük, mindig a meg nem oldott kérdések azok, melyek elsősorban biztosítják a tudomány fejlődését.
• Az elektromágnesség klasszikus elmélete szerint az elektromos és mágneses jelenségek nem szimmetrikusak: van elemi elektromos töltés (részecske), de nincs elemi mágneses töltés, legalábbis a mai napig nem sikerült kimutatni létezését. („Akárhányszor vágunk ketté egy mágneses dipólust, vagyis egy mágnesrudat, minden ilyen úton keletkezett darabnak lesz egy északi és egy déli pólusa is.”)
Dirac ennek ellenere mégis feltételezte, hogy mágneses töltés, mágneses monopólus is van. Vagyis létezhet olyan mágnesrúd. amelynek vagy csak északi, vagy csak déli sarka van. A tapasztalatnak ellentmondó feltételezést, amelyet kezdetben a tudományos világ tartózkodóan fogadott, két megfontolással indokolta:
1. A természet általában szimmetrikusnak mutatkozik minden más területen. Kevéssé hihető, hogy pont itt legyen kivétel.
2. Ha tapasztalatilag nem is sikerült kimutatni létezését, nem tagadhatjuk, mert nem ismerünk olyan fizikai törvényt, amely elvileg kizárná, megtiltaná.
Megjelent A Hét III. évfolyama 39. számában, 1972. szeptember 29-én.