Estos científicos están locos... La búsqueda del monopolo magnético

22/05/2013 1 comentario
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El monopolo magnético es una hipotética partícula que tendría la particularidad de tener solo un polo norte o un polo sur de forma aislada. La existencia de esta partícula es una característica de las teorías llamadas de gran unificación y por ello su detección experimental es una interesante cuestión. Sería importante para entender la estructura de las interacciones a alta energía y la constitución de nuestro universo.

El campo eléctrico y magnético

En nuestra vida diaria estamos acostumbrados a la existencia de cargas eléctricas. Estas cargas interaccionan mediante el electromagnetismo.

Lo que conocemos es que las cargas eléctricas estáticas generarían únicamente un campo eléctrico. Y sabemos que las cargas tienen dos signos de forma que cargas de distinto signo se atraen y de igual signo se repelen.

Describimos la interacción eléctrica diciendo que las cargas introducen un campo eléctrico. Este campo es una propiedad que adquiere el espacio que hace que unas cargas eléctricas "sepan" de la existencia de otras. El campo eléctrico lo representamos mediante las denominadas líneas de campo.

De forma pedestre podemos decir que las líneas nos proporcionan dos tipos de información:

  1. Dibujamos un número fijo de líneas. En las regiones donde hay mayor densidad de líneas el campo es más intenso.
  2. Sobre dichas líneas dibujamos unas flechas que nos informan sobre la orientación del campo a lo largo de la línea.

Lo que es importante para el tema que nos ocupa es que podemos decir si una carga que crea un campo es positiva o negativa sin más que mirar a las líneas de campo. 

  1. De las cargas positivas las líneas de campo eléctrico salen.
  2. Las líneas de campo eléctrico entran en las cargas negativas.
  3. Las líneas de campo eléctrico son abiertas.

línea campo eléctrico

Si ahora nos paramos a pensar en el campo magnético seguro que se nos viene a la cabeza la idea de imán. Un imán tiene dos polos, norte y sur, y sabemos que si partimos un imán los trozos resultantes seguirán teniendo un polo norte y un polo sur.

 

imán roto

Si miramos las líneas de campo magnético encontramos una diferencia esencial con las de campo eléctrico, estás son cerradas.  Cuando creamos un campo magnético las líneas de campo correspondientes no tienen principio ni fin, se cierran.

lineas magnéticas

Esta diferencia nos dice que no podemos tener "cargas magnéticas", los monopolos, aislados.

¿Por qué esta asimetría?

Esta pregunta tiene por respuesta un mayúsculo, "NO TENGO NI IDEA". 

Las leyes del electromagnetismo no presentan ninguna restricción fundamental a la existencia de monopolos magnéticos.  Lo único que podemos decir es que, todavía, no hemos visto ninguno cerca.

Pero también resulta que si existieran los monopolos magnéticos tendríamos una simetría muy "bella" entre campo eléctrico y campo magnético, y a los físicos les enamoran las simetrías.

monopolo

Y llegó Dirac...

DiracPaul M. Dirac es uno de los grandes físicos teóricos del siglo XX y posiblemente de la historia de la ciencia.  Entre sus aportes, que no han sido pequeños ni despreciables, está el estudio de la física del monopolo.

Una forma de simular un monopolo es usar un solenoide. Un solenoide es un arrollamiento de cable conductor por el que circula una corriente eléctrica. Sabemos que las corrientes eléctricas, cargas en movimiento, generan campos magnéticos.

     

solenoide

La idea de Dirac, expresada de forma simple, es la de considerar que hacemos el solenoide cada vez más largo, de forma que, si tomamos el límite infinito para la longitud del solenoide, lo que observaríamos sería:

Dirac monopolo

Es decir, veríamos que las líneas de campo eléctrico saldrían o entrarían, abiertas. Este monopolo tendría una característica, la denominada cuerda de Dirac.  Esta cuerda es una característica de este tipo de monopolo necesaria para que la formulación del electromagnetismo sea consistente. Sobre esta línea hay una discontinuidad de magnitudes físicas como el potencial electromagnético, esto es un tecnicismo. Para más información os dejaré unas referencias al final de esta entrada.

Lo interesante de esta idea es que si existen los monopolos magnéticos entonces las cargas eléctricas están obligadas a ser múltiplos de una cantidad:

cuantización de la carga

Donde e es la carga eléctrica, g la carga del monopolo, y n un número entero.

 

Más monopolos

Hoy día sabemos que la existencia de monopolos es una característica inherente a las teorías de gran unificación. Estas teorías son las que describirían en un mismo marco teórico las interacciones electromagnética, débil y fuerte. 

En todos los modelos propuestos para este tipo de teorías, que aún no han sido confirmadas por los experimentos de forma definitiva, aparecen los monopolos.

La idea es simple, en estas teorías el campo de Higgs (sí el famoso Higgs), se podría representar como un vector.  Puede darse la circunstancia de que el campo ser organice de tal forma que el campo varía de dirección alrededor de un punto:

topological monopole

Esta configuración, que se denomina defecto topológico, se comportaría como un monopolo magnético.  Este tipo de monopolo fue introducido por t'Hooft y Polyakov.

 

Propiedades de los monopolos

  1. Sus masas serían muy elevadas. Es por eso que necesitaríamos experimentos de muy alta energía para producirlos o buscarlos en eventos muy energéticos por ejemplo en rayos cósmicos.
  2. Sus interacciones con el campo electromagnético serían mucho más intensas que las de las cargas eléctricas.
  3. Dado que sus masas son muy elevadas, de producirse alguno en un acelerador, podrían permanecer en reposo y no ser detectados e incluso podrían unirse a otras partículas o núcleos y pasar desapercibidos.

Su presencia, según las teorías de gran unificación, es inevitable. Así que esto plantea varios problemas en cosmología. El primero es -¿por qué no los vemos?-, y el segundo es que si se produjeron muchos monopolos estos, debido a su gran masa, deberían de haber dominado la evolución del universo. Cuestiones como estas dieron origen a la teoría inflacionaria del universo, de la que hablaremos en alguna ocasión.

¿Se están buscando?

Sí, hay experimentos en marcha buscando estas partículas. En especial, en el CERN hay un experimento llamado MoEDAL (Monopoles and Exotics Detector At LHC) que trabaja buscando este tipo de partículas.  Se espera que se obtengan resultados a partir del 2015.

Una referencia reciente sobre este tema es:

Magnetic Monopoles at LHC and in the Cosmos [arXiv:1305.3718v2] P. Mermond

Otra magnífica referencia es:

Introduction to magnetic monopoles [arXiv:1204.3077v1] Arttu Rajantie

Quizás en breve tengamos que escribir una entrada explicando los resultados de este experimento. Por ahora solo podemos elucubrar.

Para finalizar simplemente me gustaría decir que en física no solo se busca confirmar ideas "ortodoxas", los físicos también son muy dados a hipótesis raras, extrañas y novedosas. El problema no es tener ideas heterodoxas, que siempre son bienvenidas en física, lo complicado es convencer a los demás con buenos argumentos de que merece la pena estudiar una idea y diseñar experimentos para comprobarlas o descartarlas. Así es el juego de la ciencia y como juego todo está permitido, al final, la que decide es  la naturaleza, lo mejor que podemos hacer es pensar con libertad y sin miedo. La naturaleza suele estar más loca que la más loca de nuestras ideas.

Nos seguimos leyendo...