Ученые проанализировали данные нейтринной обсерватории IceCube за 2886 дней наблюдений на предмет регистрации космических релятивистских магнитных монополей. Физики искали характерный свет, который должны были бы излучать частицы с магнитным зарядом при прохождении через толщу антарктического льда. В результате исследователи не обнаружили следов таких частиц в экспериментальных данных и усилили существовавшие ранее ограничения на поток релятивистских космических монополей со скоростями от 0,8 до 0,995 скорости света.

Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

Магнитные монополи — гипотетические частицы, обладающие магнитным зарядом. В случае их существования они должны были бы быть источником радиального статического магнитного поля подобно тому, как источником электрического поля с такими характеристиками являются заряженные частицы. Грубо представить себе магнитный монополь можно как один из полюсов дипольного магнита, разрезанного пополам. Однако в реальности магнитные монополи еще не наблюдались: если в действительности разрезать пополам обычный магнит, то мы получим не два монополя противоположных зарядов, а два магнита поменьше.

Существование магнитных монополей хорошо вписывается в уравнения Максвелла, если сделать их полностью симметричными относительно электричества и магнетизма. Уместны они и в рамках формализма квантовой механики: Дирак еще в 1931 году представил механизм квантования одновременно электрических и магнитных полей, согласно которому магнитный элементарный заряд может существовать и должен быть в 68.5 раз больше заряда электрона. Существование магнитных монополей предсказывают и некоторые теории Великого объединения (ТВО).

В рамках ТВО предполагается, что сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия объединяются при очень больших энергиях (порядка 10¹⁴ гигаэлектронвольт). Такое объединение могло иметь место в первые мгновения после Большого взрыва. В этом случае в момент фазового перехода горячей Вселенной, связанного со спонтанным нарушением симметрии и отделением электромагнитного взаимодействия от остальных, могли возникнуть стабильные частицы с магнитным зарядом, причем в сопоставимых с обычными частицами концентрациях.

Такие первичные магнитные монополи в случае их существования должны были бы ускоряться галактическими магнитными полями (подобно обычным зарядам в электрическом поле), которые хоть и малы по величине, но простираются на расстояния вплоть до мегапарсеков. В результате за время своей жизни со времен Большого взрыва частица с магнитным зарядом, по разным оценкам, могла бы разогнаться до энергий порядка 10¹⁴ гигаэлектронвольт, что для определенных масс магнитного монополя соответствовало бы скоростям, близким к скорости света. В случае, если скорость монополя больше чем 0,75 скорости света, его принято называть релятивистским.

При попадании в среду, в которой скорость света меньше скорости магнитного монополя, он должен излучать, причем существенно активнее, чем частица с единичным электрическим зарядом (за счет величины элементарного магнитного заряда). К примеру, при движении сквозь лед монополь со скоростью больше, чем 0,75 скорости света в вакууме, должен испускать в 8300 раз больше фотонов на единицу длины пути в веществе, чем аналогичный мюон. Именно такие богатые на фотоны события и искали участники коллаборации IceCube в данных наблюдений одноименного эксперимента за восемь лет работы с 2011 по 2018 годы, что соответствовало 2886 полным дням наблюдений.