МОНОПО́ЛИ

МОНОПО́ЛИ (от моно... и греч. πόλος – полюс) в кван­то­вой тео­рии по­ля (КТП), ре­гу­ляр­ные час­ти­це­по­доб­ные ре­ше­ния клас­сич. урав­не­ний Ян­га – Мил­лса – Хигг­са, об­ла­даю­щие ко­неч­ной энер­ги­ей и то­по­ло­гич. за­ря­дом и про­яв­ляю­щие се­бя в элек­тро­маг­нит­ных взаи­мо­дей­ст­ви­ях как час­ти­цы, не­су­щие маг­нит­ный за­ряд. В от­ли­чие от то­чеч­но­го маг­нит­но­го мо­но­по­ля Ди­ра­ка, они не­син­гу­ляр­ны и име­ют слож­ную внутр. струк­ту­ру. М. воз­ни­ка­ют в не­абе­ле­вых ка­либ­ро­воч­ных тео­ри­ях со спон­тан­ным на­ру­ше­ни­ем сим­мет­рии, в ко­то­рых при­сут­ст­ву­ют неск. «цвет­ных» раз­но­вид­но­стей элек­трич. и маг­нит­ных по­лей (Ян­га – Мил­лса поля), а так­же неск. ска­ляр­ных по­лей Хигг­са, об­ра­зую­щих цве­то­вой век­тор.

Ва­ку­ум­ные со­стоя­ния со спон­тан­ным на­ру­ше­ни­ем сим­мет­рии опи­сы­ва­ют­ся не­три­ви­аль­ны­ми клас­сич. ре­ше­ния­ми по­ле­вых урав­не­ний Ян­га – Мил­лса – Хигг­са, в от­ли­чие от си­туа­ции в кван­то­вой элек­тро­ди­на­ми­ке, где ва­ку­ум оз­на­ча­ет про­сто от­сут­ст­вие по­ля. Фи­зич. час­ти­цы (век­тор­ные ме­зо­ны, бо­зо­ны Хиг­гса) со­от­вет­ст­ву­ют кван­то­вым воз­бу­ж­де­ни­ям на фо­не этих клас­сич. ре­ше­ний. В бо­лее слож­ных по­ле­вых мо­де­лях (а так­же в струн тео­рии) ва­ку­ум­ных со­стоя­ний мо­жет быть как угод­но мно­го, они так­же оп­ре­де­ля­ют­ся ре­ше­ния­ми клас­сич. урав­не­ний этих тео­рий.

В 1974 Г. ‘т Хофт и А. М. По­ля­ков не­за­ви­си­мо друг от дру­га по­ка­за­ли, что клас­сич. урав­не­ния не­абе­ле­вой тео­рии с три­пле­том по­лей Хигг­са, об­ра­зую­щих цве­то­вой век­тор, до­пус­ка­ют, кро­ме ва­ку­ум­ных кон­фи­гу­ра­ций, не­три­ви­аль­ные час­ти­це­по­доб­ные ре­ше­ния, в ко­то­рых по­ле Хигг­са рав­но ну­лю в цен­тре и име­ет ко­неч­ное зна­че­ние вда­ли от не­го. При этом на­прав­ле­ние по­ля Хигг­са в цве­товом про­стран­ст­ве не по­сто­ян­но, как в слу­чае ва­куу­ма с на­ру­шен­ной сим­метри­ей, а кор­ре­ли­ру­ет с на­прав­ле­ни­ем в обыч­ном про­стран­ст­ве. Та­кие со­стоя­ния мож­но оха­рак­те­ри­зо­вать чис­лом пол­ных обо­ро­тов цве­то­во­го век­то­ра при об­хо­де во­круг час­ти­цы, ко­то­рое ин­тер­пре­ти­ру­ет­ся как то­по­ло­гич. за­ряд кон­фи­гу­ра­ции по­ля. Эти со­стоя­ния по­ля ус­той­чи­вы, их не­воз­мож­но не­пре­рыв­но де­фор­ми­ро­вать в ва­ку­ум­ное со­стоя­ние. Во взаи­мо­дей­ст­ви­ях с за­ря­жен­ной ма­те­ри­ей та­кие час­ти­це­по­доб­ные кон­фи­гу­ра­ции долж­ны про­яв­лять се­бя как час­ти­цы с маг­нит­ным за­ря­дом, по­доб­но то­чеч­но­му маг­нит­но­му мо­но­по­лю Ди­ра­ка, при­чём ве­ли­чи­на маг­нит­но­го за­ря­да про­пор­цио­наль­на то­по­ло­гич. за­ря­ду. Та­ким об­ра­зом, М. в КТП яв­ля­ют­ся не эле­мен­тар­ны­ми час­ти­ца­ми, а со­ли­то­на­ми. Од­на­ко в су­пер­сим­мет­рич­ных обоб­ще­ни­ях стан­дарт­ной мо­де­ли ме­ж­ду эле­мен­тар­ны­ми час­ти­ца­ми и со­ли­то­на­ми мо­жет воз­ни­кать т. н. ду­аль­ная сим­мет­рия.

Ска­зан­ное вы­ше от­но­сит­ся к тео­ри­ям Ве­ли­ко­го объ­е­ди­не­ния (ТВО), в ко­то­рых мас­са М. со­став­ля­ет по­ряд­ка 10¹⁷ ГэВ и вы­ше. Не­три­ви­аль­ная то­по­ло­гич. при­ро­да М. в ТВО при­во­дит к то­му, что квар­ки, рас­сеи­ва­ясь на них, мо­гут пе­ре­хо­дить в леп­то­ны, в ре­зуль­та­те че­го про­тон ста­но­вит­ся не­ста­биль­ным (В. А. Ру­ба­ков, 1981; К. Кал­лан, 1982). Это так­же мо­жет при­во­дить к но­вым яв­ле­ни­ям при по­па­да­нии М. в ней­трон­ные звёз­ды.

В час­ти стан­дарт­ной мо­де­ли, опи­сы­ваю­щей элек­тро­сла­бые взаи­мо­дей­ст­вия, так­же при­сут­ст­ву­ют хигг­сов­ские по­ля, но они име­ют др. кон­фи­гу­ра­цию, и опи­сан­ные ре­ше­ния с то­по­ло­гич. за­ря­дом не­воз­мож­ны. Од­на­ко мо­гут су­ще­ст­во­вать от­но­си­тель­но ус­той­чи­вые не­то­по­ло­гич. со­ли­то­ны с маг­нит­ным за­ря­дом и мас­сой по­ряд­ка не­сколь­ких ТэВ. М. с та­кой от­но­си­тель­но не­боль­шой мас­сой пред­ска­зы­ва­ют­ся так­же бо­лее эк­зо­ти­че­ски­ми мо­де­ля­ми с до­пол­нит. про­стран­ст­вен­ны­ми из­ме­ре­ния­ми. М. в не­абе­ле­вых ка­либ­ро­воч­ных тео­ри­ях мо­гут так­же об­ла­дать элек­трич. за­ря­да­ми и вхо­дить в бо­лее ши­ро­кие со­ли­тон­ные муль­ти­пле­ты.

Со­глас­но совр. кос­мо­ло­гич. мо­де­лям, при ос­ты­ва­нии Все­лен­ной мо­гут про­ис­хо­дить фа­зо­вые пе­ре­хо­ды, при ко­то­рых ва­ку­ум­ная кон­фи­гу­ра­ция по­ля Хигг­са из­ме­ня­ет­ся, пе­ре­хо­дя из со­стоя­ния с не­на­ру­шен­ной сим­мет­ри­ей (ко­то­рое энер­ге­ти­че­ски вы­год­но при вы­со­кой темп-ре) в со­стоя­ние с на­ру­шен­ной сим­мет­ри­ей. Этот про­цесс не мо­жет про­ис­хо­дить од­но­вре­мен­но во всём про­стран­ст­ве, по­это­му, ес­ли в не­ко­то­рой об­лас­ти пе­ре­ход ва­куу­ма в фа­зу на­ру­шен­ной сим­мет­рии за­дер­жи­ва­ет­ся, долж­ны воз­ни­кать то­по­ло­гич. де­фек­ты. Это и оз­на­ча­ет ро­ж­де­ние М. В реа­ли­стич. кос­мо­ло­гич. сце­на­ри­ях М. в ТВО долж­но ро­ж­дать­ся слиш­ком мно­го, и они мог­ли бы су­ще­ст­вен­но из­ме­нить ха­рак­тер кос­мо­ло­гич. эво­лю­ции, что про­ти­во­ре­чит на­блю­де­ни­ям. По­дав­ле­ние оби­лия М. объ­яс­ня­ет ин­фля­ци­он­ная мо­дель Все­лен­ной.

Экс­пе­ри­мен­таль­но по­иск М. ве­дёт­ся в боль­шом диа­па­зо­не воз­мож­ных масс как на ус­ко­ри­те­лях, так и в кос­мич. лу­чах. Хо­тя не­од­но­крат­но по­яв­ля­лись со­об­ще­ния об от­кры­тии М., они не бы­ли под­твер­жде­ны. Ог­ра­ни­че­ния на мас­су М., по­лу­чен­ные на ус­ко­ри­те­ле «Тэ­ва­трон» (США), со­став­ля­ют 200–400 ГэВ в за­ви­си­мо­сти от ве­ли­чи­ны маг­нит­но­го за­ря­да. Пла­ни­ру­ют­ся экс­пе­ри­мен­ты по по­ис­ку М. на Боль­шом ад­рон­ном кол­лай­де­ре (ЦЕРН), ко­то­рый по­зво­лит ис­сле­до­вать об­ласть энер­гий на по­ря­док вы­ше. В 2009 поя­ви­лись со­об­ще­ния об от­кры­тии М. в фи­зи­ке твёр­до­го те­ла (т. н. спи­но­вый лёд), од­на­ко там речь идёт о ква­зи­ча­сти­цах, ко­то­рые не яв­ля­ют­ся эле­мен­тар­ны­ми.