MONOPOLI MAGNETICI AL CERN: SIAMO VICINI AL "SACRO GRAAL" DELL'ELETTROMAGNETISMO?

Al CERN si cercano calamite con una sola polarità. Magneti come particelle elementari, dotate dunque d'un solo polo, nord o sud,  la cui esistenza confermerebbe ipotesi fondamentali sulla natura del magnetismo. In elettromagnetismo, infatti, un monopolo magnetico è un'ipotetica particella prevista solo da alcuni modelli teorici, la cui esistenza non è mai stata verificata sperimentalmente, costituita da un solo polo magnetico e caratterizzata quindi dal possedere una carica magnetica netta.  

Poli magnetici  - Shutterstock 

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Previsti oltre ottant'anni fa dal fisico britannico Paul Dirac, i monopoli magnetici, o meglio un suo equivalente, sono stati rilevato per la prima volta in modo diretto da un esperimento effettuato da David Hall, dell'Amherst College, in Massachusetts.

Ora l'esperimento MoEDAL (Monopole & Exotics Detector at the LHC), effettuato al CERN e dedicato alla ricerca dei monopoli magnetici, restringe il campo d’indagine su queste ipotetiche particelle, ponendo nuovi limiti alla loro massa. 

Il risultato è stato pubblicato sulla rivista Journal of High Energy Physics (JHEP).

Negli ultimi decenni, diversi esperimenti con acceleratori di particelle hanno cercato di trovare conferme dell’esistenza dei monopoli magnetici, anche al Large Hadron Collider LHC del CERN. Tuttavia, queste particelle, ipotizzate dal fisico Paul Dirac nel 1931 non sono state ancora osservate.

“La scoperta dei monopoli magnetici avrebbe un impatto straordinario nella fisica delle particelle, in astrofisica e in cosmologia”, spiega Laura Patrizii, ricercatrice della sezione INFN di Bologna, vice-coordinatore di MoEDAL.

Proprio come accade per l'elettricità, che prevede due cariche, positiva e negativa, così il magnetismo è dotato di due poli, nord e sud. La differenza è che, mentre è facile isolare una carica elettrica positiva o negativa, nessuno ha mai visto una carica magnetica “da sola”, il cosiddetto “monopolo magnetico”: se si taglia a metà un magnete, si finisce sempre con due magneti più piccoli, ciascuno con un polo nord e un polo sud. Eppure la teoria ci suggerisce che il magnetismo potrebbe essere una proprietà delle particelle elementari. Così come gli elettroni sono dotati di una carica elettrica negativa e i protoni di una positiva, così i monopoli magnetici potrebbero avere solo un polo nord o solo un polo sud.

Si ritiene che i monopoli, se esistono, debbano essere molto massivi. Dato che LHC che produce collisioni a energie mai raggiunte finora, se la massa di queste particelle fosse alla portata di LHC i fisici potrebbero essere in grado di osservarle. Per esempio, nelle interazioni fotone-fotone ad alta energia potrebbero essere prodotte coppie monopolo nord-monopolo sud. La presenza di monopoli sarebbe rivelata dalla loro carica magnetica e dal loro enorme potere ionizzante (la capacità di strappare elettroni a un atomo), circa 4700 volte superiore a quello dei protoni. L'esperimento MoEDAL a LHC è stato progettato appositamente per osservare questi effetti.

MoEDAL si compone di un rivelatore sostanzialmente passivo installato in prossimità dell'esperimento LHCb: essendo altamente ionizzanti, i monopoli produrrebbero un segnale permanente nella struttura dei rilevatori, osservabile successivamente al microscopio. Inoltre, perdendo energia molto rapidamente, sarebbero rallentati da un secondo sistema, costituito da 0,8 tonnellate di rivelatori di alluminio che agiscono come una trappola per la carica magnetica (trapping detector). La presenza di un monopolo intrappolato sarebbe osservata successivamente scansionando i rivelatori con un magnetometro. MoEDAL include poi una serie di rivelatori a pixel di silicio utilizzati per controllare in tempo reale la radiazione ambientale nell’area sperimentale.

Lo studio pubblicato oggi si basa sull’analisi dei dati raccolti durante il primo run di LHC, quando il “trapping detector” era ancora allo stadio di prototipo. Benché non si sia trovata traccia di monopoli intrappolati, il risultato ottenuto ha permesso alla collaborazione MoEDAL di porre nuovi limiti sulla massa di queste ipotetiche particelle.

Al momento la collaborazione MoEDAL è attivamente impegnata nell’analisi dei dati ottenuti dal rilevatore nella sua configurazione definitiva.

Il risultato di MoEDAL appena pubblicato è dedicato a Giorgio Giacomelli, membro della Collaborazione fino alla sua scomparsa, nel 2014. “Giorgio Giacomelli è stato pioniere e leader nella ricerca del monopolo magnetico. Dedicare a lui questo primo articolo di MoEDAL è un dovuto riconoscimento”, commenta Patrizii.