图 1.磁罗盘、正则磁体和假设磁单极子的示意图。图片来源：Kavli IPMU
　　一些世界上最强大的粒子加速器已经帮助研究人员从高能宇宙射线轰击地球大气层的碰撞中对长理论化磁单极子的存在提出了新的领先限制，发表在 《物理评论快报》上的 一项新研究。
　　磁铁对每个人都非常熟悉，在日常生活中有着广泛的应用，从电视和电脑到儿童玩具。但是，打破任何磁铁，例如由北极和南极分成两半的导航罗盘针，只会导致两个较小的两极磁铁。自1931年以来，研究人员几十年来一直没有解开这个谜团，当时物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac）将单极＂磁单极子＂的存在理论化 - 与电子相当但带有磁荷的粒子。
　　为了探索磁单极子是否存在，一个国际研究小组，包括东京大学科维利宇宙物理与数学研究所（Kavli IPMU）研究员Volodymyr Takhistov，研究了来自各种地面实验的可用数据，并在广泛的可能质量上对单极子进行了迄今为止最敏感的搜索。研究人员专注于单极子的一个不寻常的来源 - 宇宙射线的大气碰撞，这种碰撞已经发生了很长时间。
　　跨学科研究需要汇集来自科学几个不同领域的专业知识，包括加速器物理学、中微子相互作用和宇宙射线。
　　宇宙射线与大气层的碰撞已经在推进科学方面发挥了核心作用，特别是对幽灵中微子的探索。这导致Kavli IPMU高级研究员Takaaki Kajita获得2015年诺贝尔物理学奖，因为Super-Kamiokande实验发现中微子在飞行中振荡，这意味着它们有质量。
　　部分受到Super-Kamiokande结果的启发，该团队开始研究单极子。特别有趣的是质量围绕电弱尺度的光单极子，传统粒子加速器可以很容易地获得。
　　通过对宇宙射线碰撞进行模拟，类似于CERN的LHC的粒子碰撞，研究人员获得了一束持久的光单极子，这些单极子落在不同的地面实验上。
　　这种独特的单极子来源特别有趣，因为它独立于任何预先存在的单极子，例如那些可能作为早期宇宙遗物遗留下来的单极子，并且涵盖了广泛的能量。
　　通过重新分析来自各种先前实验单极子搜索的数据，研究人员确定了各种质量中单极子的新限制，包括传统对撞机单极子搜索无法到达的范围。
　　图 2.宇宙射线与地球大气层碰撞产生的磁单极子（M）的示意图。图片来源：Volodymyr Takhistov
　　研究人员研究的这些结果和单极子的来源将作为解释陆地实验室后续未来单极子搜索的有用基准。
　　他们的研究细节发表在5月17日 的物理评论快报 上。
　　更多信息： Syuhei Iguro等人，Monopoles from an Atmospheric Fixed Target Experiment， Physical Review Letters （2022）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.128.201101
　　期刊信息： 物理评论快报

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