Al Large Hadron Collider del CERN il primo esperimento per cercare i monopoli magnetici con il “meccanismo di Schwinger”

L'esperimento MoEDAL all'interno del LHC (Foto: CERN)

Alla ricerca dei monopoli magnetici: ipotetiche particelle elementari che – se confermate – potrebbero scuotere il mondo della fisica, dimostrando che ci sono leggi della natura ancora non comprese all’interno dell’attuale teoria prevalente, il Modello Standard.

In un articolo pubblicato su Nature, un gruppo internazionale di ricerca, che ha visto anche la partecipazione di studiosi dell’Università di Bologna, ha presentato i risultati del primo esperimento per cercare di individuare queste particelle prodotte attraverso il meccanismo proposto da Schwinger e utilizzando il Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra.

L’apparato sperimentale – chiamato MoEDAL (Monopole & Exotics Detector at the LHC) –ha registrato l’esito di collisioni di alta energia tra ioni di piombo, da cui sono nati campi magnetici estremamente intensi, più potenti anche di quelli generati dalle stelle di neutroni.

“Pur non rilevando la presenza di monopoli magnetici, i dati raccolti hanno permesso di escludere l'esistenza di monopoli prodotti col meccanismo detto 'di Schwinger' con massa fino a 80 volte la massa del protone, e con carica magnetica tra uno e tre volte la carica magnetica del monopolo previsto da Dirac”, spiega Maurizio Spurio, professore al Dipartimento di Fisica e Astronomia "Augusto Righi" dell’Università di Bologna, tra gli autori dello studio.

L’esistenza dei monopoli magnetici è stata ipotizzata per la prima volta da Paul Dirac, premio Nobel per la fisica nel 1933 e “padre dell’antimateria”. Così come le cariche elettriche possono assumere valori positivi e negativi, anche nel magnetismo ci sono due poli, nord e sud. Mentre però è facile isolare cariche elettriche positive e negative, non è sono mai state osservate finora cariche magnetiche isolate. Per quanto si provi a suddividere un magnete in parti sempre più piccole, ogni nuovo magnete avrà sempre un polo nord e un polo sud. Eppure, la teoria avanzata da Dirac – che combina le leggi dell'elettrodinamica con quelle della meccanica quantistica – mostra che i monopoli magnetici sono possibili.

Produzione di monopoli in collisioni di ioni pesanti di alta energia

Come fare, però, per produrli e trovarli? I ricercatori di MoEDAL hanno risolto il problema partendo dall’idea di un altro premio Nobel: Julian Schwinger. Premiato nel 1965 per i suoi studi sull’elettrodinamica quantistica, Schwinger mostrò che coppie di particelle con carica elettrica opposta possono essere create spontaneamente in un forte campo elettrico. Allo stesso modo, quindi, coppie di monopoli magnetici potrebbero essere create spontaneamente all’interno di un forte campo magnetico. Per testare questa possibilità, al LHC del CERN sono state generate collisioni tra nuclei di piombo, la cui carica elettrica è tra le più elevate esistenti in natura. Questo ha permesso di generare campi magnetici estremamente intensi, con valori più di diecimila volte superiori a quelli presenti sulle superfici delle stelle di neutroni. Secondo il "meccanismo di Schwinger", da campi magnetici di questa intensità potrebbero nascere spontaneamente monopoli magnetici.

L’esperimento MoEDAL è pensato per rilevare la presenza di queste particelle attraverso due sistemi indipendenti. Da un lato, una serie di blocchi di alluminio del peso complessivo di 800 chilogrammi, che agiscono come “trappole magnetiche”, e dall’altro circa 20 metri quadrati di “rivelatori a tracce”, composti da diversi strati di materiale plastico.

È la prima volta che un esperimento permette di definire vincoli espliciti sulle proprietà di monopoli magnetici prodotti in questa modalità ritenuta molto affidabile. L’obiettivo ora è aumentare la sensibilità dell’apparato sperimentale in modo da poter rilevare monopoli più pesanti e con carica magnetica maggiore.

Lo studio è stato pubblicato su Nature con il titolo “Search for magnetic monopoles produced via the Schwinger mechanism”. Per l’Università di Bologna ha partecipato un gruppo di ricerca guidato da Maurizio Spurio del Dipartimento di Fisica e Astronomia “Augusto Righi”.

La collaborazione dell’esperimento MoEDAL comprende circa 70 studiosi di oltre 20 università ed enti di ricerca europei, statunitensi e canadesi. che partecipa all'impresa è formato da ricercatori dell'Alma Mater e della sezione di Bologna dell’INFN, coordinato da Laura Patrizii. Una presenza che non è casuale: Bologna è infatti stata sempre attivissima in questo campo, grazie a uno dei pionieri e leader mondiali delle ricerche sui monopoli magnetici, il professor Giorgio Giacomelli, scomparso nel 2014.