Luận văn Tìm kiếm đơn cực từ: cở sở lý thuyết và thực nghiệm

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 2.6: Cấu hình của DyR2RTiR2ROR7 Rcác nguyên tử oxygen (hình tròn màu đen) nằm trên các đỉnh của một hình tứ diện Hình 2.7: Mạng pyrochlore của các moment từ spin trong tinh thể DyR2RTiR2RO R7 Tin tính chất nhiệt động lực học của hợp chất DyR2RTiR2 ROR7 Rđược mô tả chính xác bởi một thuật ngữ năng lượng tính toán các tương tác trao đổi kế cận gần nhất và các tương tác dao động lưỡng cực ( ) ( )( ) ( ) ij ij3 3 5 ij ij ij ij ˆ ˆ3ˆ ˆ 3 | | | | i ji j i j i j e r e re eJH S S Da S S r r  ⋅ ⋅⋅ = + −     ∑ ∑ (20) Với SRiR là moment spin Ising thông thường, iˆe là vectơ đơn vị chỉ phương của spin, hằng số nối tương tác trao đổi kế cận và hằng số nối của tương tác dao động lưỡng cực . Các thang năng lượng này có quy mô nhỏ hơn 100 lần so với các giới hạn trường tinh thể để giữ các spin dọc theo trục nối tâm hai tứ diện kế cận. Kết quả là ở thang năng lượng lớn hơn 1K các moment hành xử như những Ising spin dọc theo trục này. Đáng chú ý là các mô tả Ising spin trong phạm vi lớn, các tương tác lưỡng cực tại nhiệt độ thấp dưới 1K cho kết quả là các tính chất ở năng lượng thấp gần giống với mô hình Pauling đối với các proton hỗn loạn trong tinh thể băng. Phạm vi mở rộng của các trạng thái băng spin thỏa mãn các quy tắc băng ( ice rules) Bernal-Fowler, cách phối trí trong tứ diện của cấu trúc pyrochlore có hai trong bốn spin ở đỉnh hướng vào tâm tứ diện hai spin còn lại hướng ra ngoài. Hình 2.8: Vị trí các hydroden trong tinh thể băng của nước 2 H ở gần và 2 H ở xa (hình bên trái); tứ diện từ trong pyrochlore hai spin hướng vào tâm tinh thể và hai spin hướng ra xa (hình bên phải) Ta có thể thấy rõ các đơn cực từ nỗi trong mô hình quả tạ, các moment từ spin được xem như một lưỡng cực từ hình quả tạ có từ tích tập trung tại tâm của các tứ diện liền kề nhau có dạng giống như một mạng lưới kim cương. Tổng từ tích của một tứ diện . Ở trạng thái ice rule cơ bản ( tứ diện có hai spin hướng vào và hai spin hướng ra) không có từ tích nào tại mỗi vị trí của lưới kim cương. Hình 2.9: Tứ diện trong mang pyrochlore với mô hình quả tạ của các moment từ spin Kích thích nhẹ vào một spin làm phá vỡ các ràng buộc dẫn đến sự quay đảo của spin đó. Sự quay đảo này làm thay đổi cách phối trí spin trong hai tứ diện kế cận, một tứ diện là ba spin hướng vào một spin hướng ra và một tứ diện là ba spin hướng ra một spin hướng vào tạo thành một cặp lỗi hình học topo trong cấu trúc. Lúc này từ tích ở tâm của hai tứ diện kế cận không còn bằng không nữa mà là hai cực từ trái dấu . Các cực từ này có thể dễ dàng tách nhau ra bởi tác động của nhiệt năng làm spin gần kề với spin bị đảo ban đầu cũng sẽ bị quay đảo theo chiều như thế và hiện tượng xảy ra liên hồi theo một lộ trình mà trên đó quy tắc băng được giữ nguyên và cực từ có từ tích khác không chỉ cư trú tại điểm đầu và điểm cuối của lộ trình. Các cực từ được tách ra có thể xem như các đơn cực từ độc lập. Claudio Castelnovo đã thực hiện các phép tính theo một mô phỏng số và tìm thấy rằng ở nhiệt độ một Kelvin xuất hiện một hai đơn cực từ trên mỗi trăm hình tứ diện của mạng. Hình 2.10: Mô phỏng quá trình kích thích một spin quay đảo tạo ra các giả đơn cực từ trong mạng lưới drychlore. Trong băng spin pyrochlore, các cặp đơn cực và phản đơn cực được nối với nhau bằng dây nối của các lưỡng cực đảo lộn, thường được gọi là dây Dirac. Ở đây dây Dirac được hiểu là một vật thể vật lý một chiều cung cấp độ lớn thông lượng từ đến vị trí các đơn cực từ hiện diện. Dây đầu tiên được Dirac đưa ra như một đường thẳng lập dị trong thế vectơ để mô tả chuyển động lượng tử của các electron trong trường của một đơn cực từ. Với sự đơn trị của hàm sóng điện tử, Dirac đã suy luận rằng các dây này phải mang một bội số nguyên thông lượng lượng tử, hàm ý sự lượng tử hóa giá trị từ tích của đơn cực từ. Phải lưu ý rằng mặc dù dây Dirac là vô hình đối với các electron xung quanh nhưng dây Dirac vẫn mang một thông lượng lượng tử không vô hình trong môi trường vật chất đông đặc. Dấu hiệu của các dây Dirac liên quan đến đơn cực từ đã được phát hiện trong các hệ thống dyrochlore ở nhiệt độ sub-Kelvin. Gần đây chúng còn được quan sát trực tiếp trong tinh thể băng spin nhân tạo kagome ở nhiệt độ phòng. Băng spin nhân tạo với các nano nam châm liên kết với nhau thành một mạng lưới hình tổ ong, các quy tắc băng trong trường hợp này là tại các đỉnh của lưới tổ ong hai moment từ hướng vào một moment hướng ra hoặc hai moment hướng ra một moment hướng vào. Tương tự như băng spin pyrochlore, moment từ được xem như một lưỡng cực từ có hình quả tạ với từ tích tập trung ở hai đầu tại hai đỉnh kế cận của lưới tổ ong. Giá trị từ tích tại các đỉnh của lưới tổ ong với . Các đơn cực trong băng spin nhân tạo kagome được tạo ra tương tự như băng spin pyrochlore. Với tác dụng kích thích của một từ trường ngoài thay đổi lên một lưỡng cực quả tạ làm quay đảo chiều tạo ra một cặp đơn cực và phản đơn cực có từ tích thay đổi với là từ tích ở trạng thái ban đầu. Cặp đơn cực và phản đơn cực được tách xa ra do sự kích thích đảo lộn các lưỡng cực theo một đường liên tục để lại một dây Dirac của các lưỡng cực bị đảo lộn giữa chúng. Các đỉnh mạng tổ ong thuộc dây Dirac không thay đổi giá trị từ tích ban đầu ngoài trừ vị trí đơn cực và phản đơn cực cư trú. Hình 2.11: Các đơn cực và các dây Dirac kết nối trong băng spin nhân tạo Hình 2.12: Nhận dạng các đơn cực trong quá trình đảo ngược sự từ hóa. Hình 2.13: Sự tạo ra và tách các cặp đơn cực - phản đơn cực và các dây Dirac. Các hình chụp bằng kỹ thuật XMCD (bên trái) kết hợp với bản đồ từ tích (bên phải) màu xanh là từ tích âm và màu đỏ là từ tích dương. Tuy các đơn cực từ trên chưa phải là những hạt cơ bản mà Dirac nói đến, chúng mới chỉ là những chuẩn hạt trong môi trường đông đặc. Song lối hành xử của những chuẩn hạt này giống hệt như những đơn cực thật sự nên những chuẩn hạt này hoàn toàn xứng đáng được xem như một dạng đơn cực từ. CHƯƠNG 3: TÌM KIẾM ĐƠN CỰC TỪ TRONG MÁY GIA TỐC 16T ừ năm 193116T việc 16Ttìm kiếm16T 16Tđơn cực từ cổ điển16T 16TDirac16T 16Tđã được16T 16Tthực hiện16T 16Ttại16T tất cả các 16Tmáy gia tốc16T 16Tở16T tất cả các giới hạn 16Tnăng lượng16T 16Tmới16T. Theo tuyên bố nổi tiếng của Einstein khối lượng và năng lượng là tương đương 21T(E = m21T 21T). Phần lớn năng lượng tại các va chạm trong máy gia tốc chuyển đổi thành khối lượng dưới dạng các hạt ngoại lai. Hạt càng nặng thì càng cần nhiều năng lượng để tạo ra chúng. Đó là lý do tại sao các nhà khoa học cần máy gia tốc lớn như LHC để tạo ra một số các hạt nặng được dự đoán trong lý thuyết, giống như các đơn cực từ. Máy gia tốc đầu tiên thực hiện tìm kiếm đơn cực từ vào năm 1959 được đặt tại phòng thí nghiệm Lawrence Berkeley sử dụng môi trường nhạy là nhũ tương. Từ đó đến nay đã có 31 máy gia tốc tìm kiếm đơn cực từ sử dụng các thiết bị dò khác nhau. Trong đó đã có gần một nữa sử dụng kỹ thuật NTD để dò tìm đơn cực từ. 21TGần đây nhất là thí nghiệm tìm kiếm RHIC được công bố vào năm 2006 và thí nghiệm MoDAL ở máy gia tốc LHC dự kiến thực hiện vào cuối năm 2011 21TCác thí nghiệm tìm kiếm đơn cực trong các máy gia tốc được trình bày ở bảng 3.1. Trong bảng này các thông số hiện thị: tên máy gia tốc hoặc vị trí, loại tương tác, động lượng hạt (năng lượng), tương ứng với trung tâm khối lượng năng lượng, giới hạn khối lượng đơn cực đạt được, giới hạn mặt va chạm, giá trị của từ tích, kỷ thuật thử nghiệm được sử dụng, năm công bố và tài liệu trích dẫn. Dựa vào kỹ thuật dò có thể chia các thí nghiệm dò tìm đơn cực từ thành hai loại chính là trực tiếp và gián tiếp. 21TBảng 3.1: Thống kê các thí nghiệm tìm kiếm đơn cực từ với máy gia tốc [7] [11]. Máy gia tốc Va chạm Tia Năng lượng GeV GeV Khối lượng giới hạn Mặt cắt Giá trị từ tích Sự kiện Kỹ thuật thí nghiệm năm LBL pA 6.2 3.76 <1 1.e-40 1 0 EMUL 1959 CERN pA 28.0 7.6 <3 1.e-35 <4 0 CNTR 1961 AGS pA 30.0 7.86 <3 2.e-40 <2 0 CNTR 1963 CERN pA 28.0 7.6 <3 1.e-40 <2 0 EMUL 1963 IHEP pA 70.0 11.9 <5 1.e-41 0 EMUL 1972 FNAL pA 400 28.3 <13 5.e-42 <24 0 CNTR 1974 ISR pp 60 60 <30 1.e-36 <3 0 PLAS 1975 FNAL pA 400 28.3 <12 5.e-43 <10 0 INDU 1975 FNAL pA 300 24.5 2.e-30 0 OSPK 1975 IHEP pA 70 11.9 <5 1.e-40 <2 0 CNTR 1976 CERN pp 56 56 <30 1.e-37 <3 0 PLAS 1978 CERN pp 63 63 <20 1.e-37 <24 0 CNTR 1978 SLAC 29 29 <30 4.e-38 <3 0 PLAS 1982 CERN pp 52 52 <20 8.e-36 0 CNTR 1982 CERN 34 34 10 4.e-38 <6 0 PLAS 1983 CERN pp 540 540 1.e-31 1.3 0 PLAS 1983 SLAC 29 29 3.e-38 <3 0 PLAS 1984 FNAL pap 1800 1800 =1 0 PLAS 1987 CLEO 10.6 10.6 <4 9.e-37 <0.15 0 CLEO 1987 CERN 50-52 50-52 <24 8.e-37 1 0 PLAS 1988 DESY 35 35 <17 1.e-38 <1 0 CNTR 1988 KEK 50-61 50-61 <29 1.e-37 1 0 PLAS 1989 FNAL pp 1800 1800 =0.5 0 PLAS 1990 CERN 88-94 88-94 <45 3.e-37 1 0 PLAS 1992 CERN 88-94 88-94 0 PLAS 1993 CERN PbA 160A 17.9 =2 0 PLAS 1997 AGS AuAu 11A 4.87 =2 0 PLAS 1997 FNAL pap 1800 1800 260- 420 7.8e-36 2-6 0 INDU 2000 FNAL pap 1800 1800 265- 410 0.2e-36 1-6 0 INDU 2004 HERA p 300 300 0.5e-37 1-6 0 INDU 2005 FNAL pap 1800 1800 369 0.2e-36 >=1 0 CNTR 2006 3.1 Lý thuyết tạo ra đơn cực từ trong máy gia tốc và tính toán các mặt cắt Các 16Tthí nghiệm16T 16Ttìm kiếm16T 16Tđược16T 16Tthực hiện16T 16Ttương đối16T 16Tđơn giản16T. 16T rong thực tế16T, 16Ttìm kiếm16T 16Tđơn cực16T 16Tđã16T 16Tđược16T 16Tthực16T 16Thiện16T 16Ttrong16T các tương tác eP+PeP-P, ep, p p , 16Tvà pp16T, 16Ttại16T 16Tcác16T 16Tva chạm16T 16Tnăng lượng16T 16Tcao16T. Ở mỗi máy gia tốc có một giới hạn tìm kiếm khác nhau, ví dụ 16Tcác thí nghiệm với 16T 16Tmáy gia tốc16T tại 16TFermilab16T 16Tloại trừ16T các đơn cực từ 16Tvới16T 16Tkhối lượng16T 16Tlên16T 16Tđến16T 16T850 GeV16T. 16TCác thí nghiệm16T 16Tvới máy gia tốc16T 16TLEP216T 16Tloại trừ16T 16Tkhối lượng16T 16Tdưới16T 16T 0216T 16TGeV16T. 16TCác giới hạn này phụ thuộc vào quá trình vật lý mà theo đó16T 16Tđơn cực16T 16Tđược16T 16Ttạo ra. Không có mô hình lý thuyết trường nào cho việc tạo ra các đơn cực từ. Mô hình được sử dụng rộng rãi nhất là21T cơ chế Drell-Yan [18], là quá trình tạo ra một cặp lepton (21T 21T) trong va chạm hardon với khối lượng bất biến 21T 21T theo cơ chế hủy diệt quark – phản quark.21T Hình3.1 là một sơ đồ Feynman của cơ chế Drell-Yan tạo ra cặp muon và đơn cực – phản đơn cực. 21THình 3.1: quá trình Drell-Yan tạo ra một cặp muon (trái) và cặp đơn cực-phản đơn cực (phải) 21THai sơ đồ trên hình 3.1 cho thấy sự hủy diệt của quark và phản quark tạo ra một photon ảo trung gian, sau đó photon phân rã thành hai lepton (hình bên trái) và thành đơn cưc – phản dơn cực (hình bên phải). Cơ chế sản xuất đơn giản này cho phép ước lượng định tính mặt cắt mà không có phương trình trường thích hợp trong việc tạo ra đơn cực. Trong giới hạn năng lượng cao các quark được xem như những hạt tích tự do và tương tác của chúng đơn thuần là tương tác điện từ. Đây là một phép tính xấp xỉ tốt đối với năng lượng cao 21T 21T, với E là tổng năng lượng của các hạt tới trong tâm của hệ thống khối lượng. 21T ính toán tích hợp tất cả mặt cắt của quá trình tạo cặp lepton σ (21T 21T), sau đó tích hợp dσ /dM các mặt cắt chéo từ khối lượng giả định21T 21Tđơn cực-phản đơn cực 21T 21T, tính đến cả tác động cộng hưởng boson Z và 21T 21T phụ thuộc máy tính sử dụng để tính các mặt cắt đơn cực. Các kết quả này sau đó nhân với 21T 21T= 4.692,25, với n = 1, 21T 21T, e là từ tích và điện tích tương ứng. Ta thu được các mặt cắt của sự tạo ra đơn cực 21T [19] [20]21T. Kết quả được hiển thị trong hình 3.2 đối với các va chạm va chạm pp, AuAu và PbPb phù hợp với năng lượng RHIC và LHC. Hình 3.2 . Các mặt cắt đơn cực tạo ra bởi cơ chế Drell-Yan thực hiện ở RHIC 500 GeV (pp), 200 GeV/ nucleon (AuAu), và LHC TeV 14 (pp), và 5.5 TeV / nucleon (PbPb). Các vai trong đường cong mặt cắt là do ảnh hưởng của boson Z. Các mặt cắt và khối lượng: tính toán các giới hạn mặt cắt trong các va chạm pp ở RHIC và LHC đều đơn giản vì đã biết giá trị độ sáng tích hợp dự kiến. Giả sử hiệu suất máy dò là 50%, chúng ta được các mặt cắt như hình 3.3. Các thí nghiệm với va chạm ion nặng kết quả giới hạn mặt cắt rất thấp hơn va chạm nucleon do giới hạn . Kết quả tính toán thu được khối lượng dưới khoảng 10 GeV với va chạm AuAu ở RHIC. Trong hình 3.3 và hình 3.4 dự đoán mặt cắt Drell-Yan và giới hạn mặt cắt dự kiến ở 95% mức độ tin cậy cho các tương tác pp và PbPb . Hình 3.3 . Tính toán các mặt cắt tạo bởi cơ chế Drell-Yan và dự kiến giới hạn mặt cắt là 95% CL (dòng ngang) cho các tương tác pp, (màu xanh) và AuAu, (màu hồng) tại RHIC. Các đường cong màu hồng bao gồm các giới hạn mặt cắt tính cho tương tác γγ (sự gia tăng ) xảy ra trong tương tác AuAu. Hình 3.4 Tính toán các mặt cắt tạo ra bởi cơ chế Drell-Yan và các giới hạn mặt cắt là 95 % CL (dòng ngang) cho tương tác pp, (màu xanh) và chì chì, (màu hồng) tại LHC. Các đường cong màu hồng bao gồm giới hạn mặt cắt cho tương tác γγ tương tác(sự gia tăng ) xảy ra trong tương tác chì chì. So sánh với thử nghiệm tìm kiếm đã công bố: Biểu đồ hình 3.5 và hình 3.6 công bố giới hạn mặt cắt như là một hàm theo khối lượng đơn cực, chồng các mặt cắt đạt được tại RHIC và LHC, thể hiện trong hình 3.2 và 3.3 ở trên. Nhân độ sáng tích hợp của vàng với 231và chì là 256 để tính số nucleon liên quan đến va chạm AuAu hoặc PbPb. Lưu ý bằng cách sử dụng chùm tia proton tại RHIC chúng ta có thể thiết lập các giới hạn mặt cắt thấp nhất đối với khối lượng đơn cực gần 250 GeV hoặc hơn 100 GeV, nếu đơn cực được tạo ra theo cơ chế Drell-Yan và dự đoán các mặt cắt là hợp lệ. 16THình 3.516T2 Các giới hạn mặt cắt đơn cực từ cổ điển 16T2Dirac16T2 với khối lượng thu được từ các tìm kiếm trực tiếp trong máy gia tốc (nét liền) và các tìm kiếm dán tiếp (nét đức) với các mặt cắt dự kiến RHIC. 21THình 3.6 Các giới hạn mặt cắt đơn cực từ cổ điển Dirac và khối lượng đơn cực từ thu được từ các tìm kiếm trực tiếp (nét liền) và dán tiếp (nét đứt) với các mặt cắt dự kiến ở LHC 3.2 Mô hình thí nghiệm gián tiếp: 21T ( Đơn cực từ được dò tìm sau khi được tạo ra một khoảng thời gian rất dài) 21T Giả thiết rằng đơn cực từ được tạo ra có thể bị chặn lại, mắc kẹt và bị giới hạn trong vật chất xung quanh vùng va chạm, thường là các tấm bảng làm bằng vật liệu sắt từ. Sau đó các tấm bảng được đặt trong các xung từ trường mạnh để gia tốc cho các đơn cực từ tách ra khỏi các tấm bảng sắt từ. Đơn cực từ sau đó được phát hiện bằng các kỹ thuật dò khác nhau như SQUID, NTDs, nhũ tương hoặc các máy dò dấu vết đơn cực khác. Sau đây là mô hình của một số thí nghiệm bố trí theo mô hình gián tiếp. • 21T hí nghiêm thực hiện tại CERN-ISR năm 1978 [21]. 21T Giả định rằng đơn cực từ được sinh ra trong va chạm proton-proton 21Ttrong buồng chân không sẽ tương tác và bị dữ lại trong các tấm bảng làm bằng sắt từ được bố trí xung quanh vùng va chạm như hình 3.7 21THình 3.7: Tập hợp các tấm sắc từ tại vùng va chạm I3 21TSau đó tất cả các tấm bảng đơn cực và buồng chân không được chuyển đến Fermilab, tại đó chúng được cắt thành các mẫu có kích thước nhỏ hơn 21T 21T và được đặt vào bên trong một cái họp đồng rồi chèn vào một solenoid siêu dẫn 80 kG, dài 50cm. Tại đây đơn cực từ Dirac sẽ được gia tốc đến năng lượng khoảng chừng 80 GeV trong từ trường của solenoid. Các đơn cực từ được dò bằng các tấm chắn scintillator rất mỏng như hình 3.8. Kết quả không tìm thấy đơn cực nào. 21THình 3.8: hệ thống dò đơn cực • 21T hí nghiệm tìm kiếm đơn cực từ dán tiếp thực hiện tại DESY HERA [7] 21T hí nghiệm thực hiện va chạm 21T 21T ở năng lượng 300 GeV , đơn cực từ có spin 0 giả định được sinh ra từ tương tác đàn hồi photon - photon bức xạ từ electron và proton 21T 21T và đơn cực từ có spin ½ giả định được sinh ra từ tương tác photon-photon không đàn hồi, một photon bức xạ từ electron một photon bức xạ từ quark nằm trong proton 21T 21T (với X là trang thái bất kỳ). 21TĐơn cực từ sinh ra bị chặn lại trong ống dẫn tia bằng nhôm bao quanh vùng va chạm trong những năm 1995-1997, sau đó ống dẫn được cắt thành những dãi mỏng rồi cho qua một cuộn dây siêu dẫn kết hợp với SQUID để kiểm tra sự tồn tại của đơn cực từ. 21TỐng dẫn bao quanh điểm qua chạm có đường kính 0.9 cm và bề dày 1.7 mm trong phạm vi – 0.3 < z < 0.5m và đường kính 11.0 cm và bề dày 2mm trong phạm vi 0.5 < z< 2m. Trong suốt quá trình HERA hoạt động nó được nhúng trong từ trường solenoid 1.15 T có phương song song với ống dẫn, dọc theo trục z. Chiều dài của ống phủ kín đoạn -0.3 < z <2.0 m, được cắt thành 45 dãi dọc theo chiều dài mỗi dãi có chiều dài trung bình 537 mm. Vùng trung tâm ( - 0.3 < z < 0.3 m) được cắt thành 15 dãi dài, rộng 18 mm, hai trong số chúng được chia nhỏ hơn thành 32 đoạn ngắn chiều dài biến thiên từ 1 đến 10 cm. Vùng xuôi dòng ( 0.3 < z < 2.0 m) được chia thành 3 phần dọc theo chiều dài mỗi phần được cắt thành 10 dãi dài có bề dày 32 mm. 21THình 3.9: Dãi nhôm 21TCác dãi nhôm dài và được đưa qua dọc máy dò từ trường tại trung tâm Southampton Oceanography, UK. Đó là một thiết bị với tính nhạy cao thường được sử dụng để đo từ dư trong các mẫu đá, gồm có ba cuộn dây siêu dẫn đường kính 8.1 cm, có trục song song với băng tải vận chuyển và được định hướng theo phương ngang. Các phần của các dãi nhôm được đưa qua máy dò từ theo từng bước cách quãng, tạm ngưng sau mỗi bước, sau khi dòng trong vòng siêu dẫn được đo. Dòng liên tục dư sau khi một mẫu hoàn tất đường đi qua vòng được đo bằng sự khác biệt giữa dòng trước và sau khi mẫu đi qua. Số ghi của mỗi mẫu được lặp lại vài lần. Với thiết bị này bất kỳ một đơn cực thật sự nào bị mắt kẹt trong ống dẫn đều có thể cho một dòng nhất quán và có thể lặp lại được. 21THình 3.10: Sơ đồ thể hiện nguyên tắc của phương pháp siêu dẫn. Băng tải chuyển động theo từng bước khoảng 5 cm cho đến khi mẫu thí nghiệm hoàn tất đoạn đường qua cuộn dây siêu dẫn. Mỗi một bước băng truyền dừng lại 1s trước khi dòng trong cuộn siêu dẫn được đọc để tránh tác động của các dòng xoáy. Thời gian của mỗi bước là 3s. 21TSố liệu từ các vòng dây cho thấy dường như không có sự thay đổi bất thường nào được quan sát, các chỉ số được tìm thấy trước sau như một, cho thấy không có đơn cực mắc kẹt nào tồn tại. 21THình 3.11: Các dòng liên tục được đo sau khi đi qua máy dò từ, đồ thị một số mẫu lấy từ hai dãi từ ống dẫn trung tâm được cắt ra thành nhiều phần ngắn. 3.3 Mô hình thí nghiệm trực tiếp: 21T(Đơn cực từ được dò tìm ngay sau khi được tạo ra) 21T rong thí nghiệm tìm kiếm trực tiếp các tấm bảng plastic mỏng được đặt xung quanh vùng va chạm để dò tìm các đơn cực từ ngay sau khi chúng được tạo ra dựa vào giả định đơn cực từ có khả năng ion hóa cao. 21TỞ đây tôi chỉ21T xét một số thí nghiệm tìm kiếm cách trực tiếp. Chúng ta sẽ bắt đầu với thí nghiệm tại CERN ISR [7].Thí nghiệm mới nhất được thực hiện với va chạm pp năng lượng 45 và 53.2 GeV và cũng tại 62.8 GeV. 12 chồng các tấm plastic được đặt xung quanh vùng va chạm của ISR. Mỗi chồng gồm 10 tấm plastic, mỗi tấm dày 200 với một bờ mặt (9x12) . Tấm thứ 3 và thứ 5 của mỗi chồng là Makrofole -E, và 8 cái còn lại là nitơ. 10 tấm plastic của mỗi chồng được cố định trên các cột chống bằng 3 cái chốt. Với cách sắp xếp này ta có thể lần theo các dấu vết từ tấm này đến tấm khác với độ thay đổi từ 20-30 . Mô hình thí nghiệm thể hiện ở hình 3.12. Hình 3.12: Mô hình thực nghiệm ở CERN ISR. B- tia, V-buồng chân không, D-thiết bị dò Hình 3.13: Dấu vết để lại trên tấm bảng nitơ. Các tấm nitơ được ngâm trong dung dich NAOH 5N ở trong 60 phút làm cho các vết khắc đủ dài để bảo đảm các dấu vết mà đơn cực để lại khi đi qua tấm bề dày 0.2 mm hoàn toàn thấy rõ với bất kỳ góc độ hình học nào. Ứng cử viên đơn cực được dự kiến sẽ tạo ra một tín hiệu ít nhất là trong tấm nitơ đầu tiên. Các phép đo cho thấy cần proton để tạo ra một cấu vết rõ ràng trên bề mặt các tấm nitơ. Hình tương ứng đối với Makrofol-E là khoảng proton. Trong các tấm bảng được khắc các mãnh hạt nhân tạo ra một phong nền phổ biến, điều đó cho thấy các vết định hướng cách ngẫu nhiên. Hình ảnh các vết chỉ xuất hiện tại hai mặt của tấm. Trung bình các vết không xuyên quá 15 , và chỉ một vài vết xuyên đến (40-50) Do đó việc rà quét tập trung vào các vùng giữa hai bờ mặt của tấm plastic và tìm kiếm bờ dày các vết cắt bằng cách sử dụng một kính hiển vi quan học tiêu chuẩn độ phóng đại 26x, 10x. Không có đơn cực được tìm thấy. Các tác giả ước lượng các giới hạn trên tại mức tin cậy 95%. Một nhóm khác thực hiện các thí nghiệm tìm kiếm đơn cực từ tại CERN ISR với năng lượng 53.2 và 62.8 GEV. Sơ đồ thí nghiệm được đưa ra như hình 3.13. Sơ đồ này được bố trí tại vị trí giao nhau I1, sử dụng nam châm là cuộn solenoid siêu dẫn với từ trường theo chiều dọc là 1.5 T. Các máy dò được đặt bên ngoài thùng chân không bằng thép dày 2mm. Từ trường được sử dụng để gia tốc các đơn cực, cho phép chúng cắt bức tường thép mà không tổn thất năng lượng đáng kể. Các chồng thiết bị dò NTD, mỗi cái chứa 4 tấm dày 200 được đặt trên các cột chống. Hình 3.14: Sơ đồ thí nghiệm CERN ISR. a) máy dò cho các thực nghiệm khác, b) buồng chân không c) các thiết bị dò plastic. Mỗi chồng gồm có một tấm đầu tiên bằng nitơ, máy dò plastic nhạy nhất, tiếp theo là một tấm polycarbonate ( Makrofol E), ít nhạy hơn và hai tấm nitơ. Nếu ứng cử viên đơn cực được tìm thấy ở tấm đầu tiên, 16Tcác16T2 16T2tấm16T2 16T2sau16T2 16T2sẽ16T2 16T2có16T 16Tđược16T2 16T2khắc16T2 16T2và16T2 16T2theo dõi16T2 16T2tiếp16T2 16T2từ đầu tiên đến cuối cùng16T2 16T2để16T2 16T2trích xuất16T2 16T2thông tin16T2 16T2tối đa16T2.21T 16TMỗi16T2 16T2dấu vết 16T2 16T2được16T2 16T2khắc16T2 16T2theo16T2 16T2tiêu chuẩn16T2 16T2kỹ thuật16T2 16T2và 16T2 16T2quét16T2 16T2dưới16T2 16T2kính hiển vi16T2. 16T2Không có16T 16Tứng cử viên16T2 16T2đã được16T2 16T2tìm thấy16T2 16T2trong quá trình16T2 16T2quét16T2. 16T29516T2% 16T2giới hạn16T2 16T2trên16T2 16T2được16T2 16T2tính toán16T2 16T2bằng cách sử dụng các phương pháp16T2 16T2tiêu chuẩn16T2 16T2và16T2 16T2các16T2 16T2tác giả 16T2 16T2thu được16T2 16T2các16T2 16T2kết quả16T2 16T2hiển thị16T2 16T2trên16T2 16T2hình16T2 3.13. 3.4 Thí nghiệm tìm kiếm đơn cực từ ở tương lai 3.4.1 Thí nghiệm MoDAL tại LHC [19] 21TNăm 2009, CERN LHC - máy gia tốc va chạm hadron lớn được đưa vào hoạt động đã mở ra một chế độ năng lượng mới chưa từng đạt được ở bất kỳ máy gia tốc nào, 16T2hoạt động với16T 16Tnăng lượng16T 16Tở16T 16Tchế độ16T 16Tproton3T16-3Tproton 16Tvà16T 16Tsẽ16T 16Ttăng tốc các16T 16Tion16T 16Tnặng16T 16Tđến năng lượng 16T 16Ttrên mỗi16T 16Tnucleon16T. Độ sáng 16Tproton3T16-3Tproton 16Tdự kiến16T 16Tlà16T . 16TVới16T 16Tquy mô16T 16Tnăng lượng và16T 16Tđộ sáng16T chưa từng có này là 16Tmột16T 16Tcơ hội16T 16Tlớn16T 16Tđể16T 16Ttìm kiếm16T 16Tcác16T 16Tđơn cực16T 16Ttừ16T 16T trong vùng16T 16Tkhối lượng16T 16Tcao hơn16T 16Tcủa16T 16Tmột16T 16Tvài16T 16T eV16T. 16THình16T 16T3.1516T 16Tsơ đồ16T 16Tthí nghiệm16T 16TLHCb16T , 16Tnơi16T 16Tthí nghiệm16T 16TMOEDAL16T 16Tsẽ16T 16Tvận hành16T. Hình 3.15: Thí nghiệm LHCb với máy dò MOEDAL tại máy gia tốc CERN LHC Đơn cực từ sau khi được sinh ra ở va chạm proton-proton được phát hiện bởi máy dò MoDAL gồm các mảng NTD được bố trí xung quanh vùng va chạm của máy dò LHCb, trong hang VELO (Vertex Locator). Các mảng NTD được dán vào một khung nhôm nhẹ gắn liền với tường và trần của hang VELO. Các tấm nhựa NTDs MoEDAL gồm 9 lớp CR39 (3), Makrofol (3) và Lexan (3), với tổng độ dày là 3.6 mm (như hình 3.17). Hình 3.16: Sơ đồ bố trí mày dò MoDAL xung quanh vùng va chạm Hình 3.17: Cấu tạo của các tấm NTD trong máy dò MoDAL. 3.4.2 Dự tích tìm kiếm các đơn cực từ tại Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) [20] Ý tưởng của thí nghiệm tìm kiếm đơn cực từ tai RHIC - phòng thí nghiệm quốc tế Brookhven dựa vào một tính chất của đơn cực từ đã được định nghĩa đó là sự lượng tử hóa của từ tính để phát hiện ra chúng. Thiết kế một thí nghiệm mà không cần sử dụng các giả định như hầu hết các máy gia tốc đã thực hiện như khối lượng, năng lượng liên kết với hạt nhân, vận tốc hoặc độ lớn từ tích của đơn cực từ để thiết kế máy dò. Một hệ thống máy dò với buồng chân không tại các điểm va chạm21T và do đó21T 21Tkhông có vật chất trên đường đi của đơn cực, giúp loại bỏ sự cần thiết phải giả định các ràng buộc21T tính chất 21Tcủa một đơn cực với vật chất. Không có từ trường tại điểm va chạm chúng ta21T 21Tcũng có thể tránh được giả định độ lớn từ tích của đơn cực. Cuối cùng, bằng cách dùng một máy dò độc lập với vận tốc của đơn cực chúng ta có thể phát hiện các đơn cực từ chỉ dựa vào đặc trưng quang trọng nhất của đơn cực từ là từ tích.21T Thiết bị dò mà chúng ta sử dụng là một vòng cảm ứng siêu dẫn, được lắp ráp trong Gradiometer kết hợp với một thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn (SQUID). SQUID hưởng ứng dòng được tạo ra bởi từ tích của đơn cực và đo trực tiếp giá trị của chúng. Lắp đặt hai hoặc nhiều hơn các thiết bị dò phối hợp cung cấp các phát hiện trùng khớp để loại trừ các giả đơn cực. Ngoài ra một máy dò silicon được đặt sau Gradiometer và được sử dụng để giám sát và đo năng lượng mất mát của các hạt được tạo ra bởi các va chạm. Hình 3.18 cho thấy máy dò sẽ được lắp đặt tạ RHIC. Hình 3.18: Mặt cắt máy dò đơn cực điều lạnh RHIC có hai chế độ hoạt động: các ion nặng chủ yếu là Au-Au và các proton tại năng lượng tương ứng là 100GeV/nucleon và 100GeV. KẾT LUẬN 1. Về mặt lý thuyết đơn cực từ có thể tồn tại một cách chắc chắn trong vật lý. Sự tồn tại của từ tích trong cơ học lượng tử cung cấp lời giải cho bài toán lượng tử hóa của điện tích trong tự nhiên. Sự xuất hiện của đơn cực từ khái quát tính đối xứng điện từ trong lý thuyết trường cổ điển, kết hợp các vấn đề có vẻ không liên quan đến nhau như các lực điện từ, lực yếu, lực mạnh và sự lượng tử hóa của điện tích trong một lý thuyết thống nhất. Các lý thuyết hiện tại không yêu cầu sự tồn tại của đơn cực từ nhưng cũng không cấm chúng tồn tại. Thực tế, rất khó để tin rằng đơn cực từ dẫn đến các lý thuyết như đã nêu trên chỉ là một tai nạn trong những nổ lực để hiểu được tự nhiên. 2. Hiện tại không có bằng chứng nào về sự toàn tại của các đơn cực trong các thí nghiệm tìm kiếm trong máy gia tốc. Dự đoán trong tương lai rât có thể sẽ tìm được các bằng chứng về sự tồn tại của đơn cực từ trong thí nghiệm MoDAL thực hiện vào cuối năm 2011 tại máy gia tốc LHC với mức năng lượng va chạm lớn chưa từng có trên trái đất. 3. Các thí nghiệm dò tìm đơn cực từ GUT cho đến hiện tại không tìm thấy bằng chứng thật sự nào về sự tồn tại của đơn cực từ GUT trong giới hạn vật lý thiên văn và vũ trụ. 4. Sau nhiều năm nổ lực tìm kiếm, kết quả vẫn giữ nguyên “đơn cực từ có thể không tồn tại”. Thất bại của các thí nghiệm tìm kiếm đơn cực từ cũng đặt ra việc xem xét lại các tính chất có thể có của đơn cực từ và các lý thuyết dự đoán chúng. Những nổ lực tìm kiếm tiếp theo trong tương lai chắc chắn dựa trên một số kết hợp giữa các khái niệm thực hiện mới với các kỹ thuật tìm kiếm mới. Câu hỏi đơn cực từ có thật sự toàn tại không vẫn là một câu hỏi mở cho toàn thế giới. 5. Các chuẩn hạt đơn cực từ được tìm thấy trong băng spin chưa phải là nhưng hạt đơn cực từ thật sự nhưng lối hành xử thì giống hệt như các đơn cực từ thật. Sự phát hiện này có thể là kim chỉ đường để tìm ra các đơn cực từ thật sự. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] P. A. M Dirac (1931), “Quantised Singularities in the Electromagnetic Field”, Proc. Roy. Soc. A133, 60-72 [2] Dr. A. V. Anil Kumar (2009), Dirac Monopoles and Electric-Magnetic Duality, National Institute of Science Education and Research Bhubaneswar. [3] Jun S. Song (1996), “Theory of Magnetic Monopoles and Electric-Magnetic Duality: A Prelude to S-Duality”, J. Undergrad. Sci. 3: 47-55. [4] G. Giacomelli, L. Patrizii (2009), Magnetic monopole searchs, Lecture gives at Summer school on Astroparticle Physics and Cosmology. [5] John Preskill (1984), “Magnetic Monopole”, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci 34, 461-530 [6] Leonard Gamberg, George R. Kalbfleisch, Kimball A. Milton (1999), Direct and Indirect Searchs for Low-Mass Magnetic Monopole, Department of Physics and Astronomy, University of Oklahoma, Norman, OK 73019, USA. [7] Vasily Dzhordzhadze, Praveen Chaudhari, Peter Cameron, Nicholas D’Imperio, Veljko Radeka, Pavel Rehak, Margareta Rehak, Sergio Rescia, Yannis Semertzidis, John Sondericker, Peter Thieberger, Accelerator Based Magnetic Monopole Search Experiments, Brookhaven National Laboratory. [8] Gerrit-Christain Spengler (2009), Signatures of Ultrarelativistic Magnetic Monopoles in Imaging Cherenkov Telescopes , Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakult¨at I, Humboldt-Universit¨at zu Berlin. [9] William J. Marciano, Dominic Salvino (1986), Magnetic Monopole Catalysis of Proton Decay, Department of Physics Brookhaven National Laboratory Upton, NY 11973. [10] Ranald R. Ross, Philippe H. Eberhard, Luis W. Alvavez (1973), “Search for Magnetic Monopoles in Lunar Material using Electromagnetic Detector”, Physical Review D Vol 8, N 3, 698-702. [11] S. Eidelman et al (2004), “Magnetic Monopole Search”, Phys. Lett B 592. [12] Giorgio Giacomelli (2002), Search for GUT Magnetic Monopoles with the MACRO Experiment at the Gran Sasso Lab, Dipartimento di Fisica dell’Universit`a di Bologna and INFN, I-40127 Bologna, Italy. [13] The IceCube Collaboration (2010), “Search for relativistic magnetic monopoles with the AMANDA-II neutrino telescope”, Eur. Phys. J. C 69: 361–378. [14] The IceCube Collaboration (2001), “Search for magnetic monopoles at the Chacaltaya cosmic ray Laboratory”, IL Nuovo Cimento Vol 24C, N 4-5, 639-644. [15] C. Castelnovo, R. Moessner, S. L. Sondhi (2007), Magnetic Monopoles in Spin Ice, Rudolf Peierls Centre for Theoretical Physics, Oxford University, Oxford OX1 3NP, UK, Max-Planck-Institut f¨ur Physik komplexer Systeme, 01187 Dresden, Germany, Department of Physics, Princeton University, Princeton, NJ 08544. [16] L. D. C. Jaubert, P. C. W. Holdsworth (2009), “Signature of Magnetic Monopole and Dirac string Dynamics in Spin Ice”, Nature Physics 5, 258 – 261. [17] Elena Mengotti, Laura J. Heyderman, Arantxa Fraile Rodríguez, Frithjof Nolting, Remo V. Hügli, Hans-Benjamin Braun (2010), “Real-space observation of emergent magnetic monopoles and associated Dirac strings in artificial kagome spin ice”, Nature Physics 1794. [18] J.M. Frère, B.Clerbaux, C. Vandervelde, P. Marage, P. Miné, M. Mozer (2010), Study of Drell-Yan production in the di-electron decay channel and search for new physics at the LHC, Universite Libre De Bruxelles Faculte Des Sciences. [19] The MoEDAL Collaboration (2009), Technical Design Report of the MoDAL Experiment, CERN Laboratory for Particle Physics. [20] Praveen Chaudhari, Peter Cameron, Nicholas D’Imperio, Vasily Dzhordzhadze, Veljko Radeka, Margareta Rehak, Pavel Rehak, Sergio Rescia, Yannis Semertzidis, John Sondericker, Peter Thieberger (2007), Search for Magnetic Monopoles at the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), Brookhaven National Laboratory. [21] R. A. Carrigan, Jr and B. P. Strauss (1977), Search for magnetic monopole at CERN-IRS, Ferminational Accelerator Laboratory Batavia Illinois 60510.