МОНОПО́ЛИ
-
Рубрика: Физика
-
Скопировать библиографическую ссылку:
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.