Đề tài Đơn cực từ

TÓM TẮT Những câu hỏi chưa có lời giải. Sự bất đối xứng trong phương trình Maxwell. Ý tưởng của Dirac – phương trình Maxwell mở rộng. Tìm kiếm đơn cực từ. Lời kết. Những câu hỏi chưa có lời giải. Vì sao số cực của nam châm luôn là số chẵn? Vì sao bẻ một nam châm ra làm đôi thì nó lại trở thành hai nam châm nhỏ (mỗi nam châm nhỏ có 2 cực N-S)? Về điện tích có điện tích dương, điện tích âm, về từ thì không có từ tích dương và từ tích âm? Vì sao một phương trình đẹp như phương trình Maxwell lại thiếu tính đối xứng? Magnetic charge? _ + Đến cuối thế kỉ XIX Điện Từ Ernest Rutherford Joseph John Thomson Hans Christian Oersted Định luật Gauss cho điện học và từ học Điện học Từ học Phương trình Maxwell Sự bất đối xứng thứ nhất: Sự bất đối xứng này gắn liền một sự thực là trong tự nhiên tồn tại các tâm tích điện cô lập như electron, proton. Nhưng hình như không có các tâm mang từ tích (đơn cực từ). Sự bất đối xứng thứ hai: Như ta biết điện tích chuyển động tương đương với dòng điện. Phương trình (2) cho thấy không có từ tích trong tự nhiên, do đó không có dòng từ jm có mặt ở vế phải của phương trình (3). Sự vắng mặt của đơn cực từ đã phá vỡ tính đối xứng của các phương trình. (1) (2) (3) (4) Để giữ tính đối ngẫu của điện từ chúng ta thừa nhận rằng: Nếu đơn cực từ tồn tại (nhưng thực nghiệm chưa tìm ra), chúng ta có thể viết lại các phương trình trên bằng cách thêm vào đại lượng mật độ từ tích và mật độ dòng từ . Sự tồn tại của mật độ từ tích lại dẫn đến một mâu thuẫn Năm 1931, Dirac đã đưa ra ý tưởng dẫn tới những kết quả bất ngờ thú vị. = g tại mọi nơi tại điểm P Ý tưởng về sự tồn tại các đơn cực từ không thấy có mâu thuẫn gì với những nguyên lí tổng quát của vật lí. Sự tồn tại các đơn cực từ có thể giải thích được tại sao điện tích có thể tồn tại dưới dạng rời rạc mà không phải dưới dạng liên tục. Người ta hi vọng rằng giá trị lớn của từ tích có thể giải thích được giá trị lớn của lực hạt nhân và tính bền vững của các hạt sơ cấp. Từ tích nguyên tố Điện tích nguyên tố 70 Lực tương tác giữa hai từ tích nguyên tố Lực tương tác giữa hai điện tích nguyên tố 5000 Lí do mà lí thuyết của Dirac được chấp nhận là Tìm kiếm đơn cực từ Để phát hiện các đơn cực từ người ta bắn các hạt nhanh vào lớp nhũ tương hạt nhân. Nếu trong số hạt nhanh có một hạt nào đó mang từ tích thì do khả năng ion hoá mạnh của từ tích nên trong lớp nhũ tương sẽ xuất hiện một vết rất rõ ghi lại đường đi của hạt đó. Đất đá mặt trăng Luis Walter Alvarez Tìm trong tia vũ trụ. THÍ NGHIỆM PRAI XƠ Alvarez đã kiểm chứng lại Pt (Z=78) Os (Z=76) Ta (Z=73) Hạt qua nhũ tương có điện tích lớn gấp 173 lần điện tích nguyên tố Đơn cực từ I do not think that I know what I do not know. Plato, Apology Hermann Kolanoski, "Magnetic Monopoles" Dirac Monopole Assume that a magnetic monopole with charge qm exists (at the origin): In these units qm is also the flux: Except for the origin it still holds: Solutions: “+”: singular for     negative z axis “-”: singular for   0  positive z axis Hermann Kolanoski, "Magnetic Monopoles" More about monopole solutions Except for z axis: Not simply connected region discontinuous function Flux through a sphere around monopole: Discontinuity of  necessary for flux  0 Hermann Kolanoski, "Magnetic Monopoles" Quantisation of the Dirac Monopole Schrödinger equation for particle with charge q: Invariance under gauge transformation: Must be single valued function If only one monopole in the world  e quantized Hermann Kolanoski, "Magnetic Monopoles" Dirac Monopoles Summarized: Dirac monopoles exhibit the basic features which define a monopole and help you detecting it: (strong-weak duality) (monopole with “standard electrodynamics”) pointlike But not in “spontaneous symmetry breaking” (SSB) scenarios like GUT monopoles - quantized charge - large charge - B-field: - localisation 4’s wrong Monopole Properties Magnetic Charge e=electron charge gD= ћc/2e =68.5e Magnetic Charge e=quark charge =1/3 gD  3gD Electric charge =0. Dyon electric charge=1,2,3... Coupling constant am= gD2/ћc =34.25 Energy gain in a B-field: W= ngDBL = n20.5 keV/G.cm Spin Usually taken as 0 or 1/2 Monopole mass FREE PARAMETER See next slide Colour Charge Usually assumed to be 0 Energy loss By ionization (dE/dx)MM = 4700 (dE/dx)MIP See subsequent slides Monopole trajectory is “parabolic” in the r-Z plane of a solenoidal field and straight in the r- plane Production at Accelerators usually assumed to be via Drell-Yan or Photon Fusion GUT monopoles can catalyse proton decay via the Rubakov-Callan Mechanism. Tính chất của đơn cực từ Theo lí thuyết Dirac thì đơn cực đứng yên gây ra từ trường, đơn cực chuyển động gây ra cả từ trường và điện trường. Vận tốc đơn cực từ càng lớn Điện trường càng mạnh Ion hóa mạnh Khả năng ion hóa đơn cực từ hầu không đổi trên toàn đoạn đường đi của nó. Đất đá mặt trăng có đơn cực từ hay không? Nếu trong tia vũ trụ có đơn cực từ thì các đơn cực từ có thể xuyên vào các lớp đất đá của Mặt Trăng và cư trú ở đó. Nếu chú ý rằng đơn cự từ là những hạt bền và dất đá Mặt Trăng rất ổn định thì số đơn cực từ tích lũy ở bề mặt Mặt Trăng từ ba bốn tỉ năm nay là con số đáng kể.