在《生活大爆炸》裡，謝耳朵為了他的弦理論研究，曾和他的三位小夥伴一同前往磁北極尋找磁單極子。謝耳朵還一度以為已經證明了磁單極子的存在，相信自己會是以拿到諾貝爾獎。
圖檔來源：《生活大爆炸》劇照
雖然謝耳朵的磁單極子最後被證明是烏龍，但在科學界，确實有無數科學家正在追尋這種神奇的假想粒子。
不少實體理論都預言了這種獨特的粒子的存在，但它至今仍然沒有現身。
磁單極子
磁鐵在我們的生活中随處可見。無論是在你的冰箱上，還是你的智能手機裡，或是你的信用卡中，所有磁鐵都有一個共同點，它們一定有一個南極加一個北極。
即使你把一塊磁鐵從中一切為二，無論重複多少次，切得多小，得到的都隻會是分别有各自南北極的新的磁鐵。這種現象反映在了麥克斯韋的方程中，它表明了宇宙中存在孤立的正負電荷，但卻并不存在孤立的磁荷。
上個世紀，量子力學的發展為故事帶來了新篇章。1931年，狄拉克預言了宇宙中應當存在這樣一種隻有單個磁極的假想基本粒子，也就是我們現在常說的磁單極子。
我們見過的所有磁鐵都有一個南極和一個北極。但磁單極子隻有一個磁極。| 圖檔來源：Dominguez, Daniel/CERN
許多（甚至可能大部分）實體學家都相信磁單極子的存在。實體學家已經知道，電和磁在本質上是一種力，如果正負電荷可以單獨存在，就像隻帶負電荷的電子那樣，那麼隻帶一個磁極的粒子理應存在。
理論上來說，磁單極子應該産生于早期宇宙中，而且它們是穩定的，是以應該有一個大爆炸後遺留下的磁單極子的遺迹通量，仍然滲透在所有空間中。
但問題的關鍵是，直到今天，它們從未被探測到。
在冰天雪地中尋找
在尋找磁單極子的曆程中，坐落在南極的一台巨大的中微子探測器也許能夠幫助我們。
冰立方中微子天文台是一台“奇怪”的望遠鏡。它由埋在南極一立方千米冰層中的5000多個光傳感器組成，它最初的目标是研究一種彌漫在宇宙中的輕量級基本粒子，也就是中微子。
南極冰立方天文台。| 圖檔來源：IceCube Neutrino
中微子難以捉摸，研究它們的幾乎唯一方法是通過分析中微子與物質罕見的互相作用的産物，這就好像根據動物在雪地上留下的腳印來研究它們一樣。
如果一個中微子與冰立方周圍冰層中的一個原子相撞，它可以産生一個被稱為μ子的帶電粒子。當一個μ子以足夠快的速度穿過冰層時，就會沿着它的路徑産生錐形的藍色輻射，被稱為切連科夫光。這種光能穿過冰層，并在途中觸發冰立方的傳感器，進而告訴科學家粒子的能量和方向。
有趣的是，不僅是中微子，如果磁單極子的确存在，以接近光速飛行的它們在通過冰立方探測器時也會發出切連科夫光。但有一點使它們與衆不同，它們異常明亮。磁性單極子發出的切連科夫光大約是μ子的8000倍，而且這些光的發射會沿着它們的軌迹均勻分布。這就會讓冰立方中出現一種獨特而明顯的特征圖案。
磁單極子應該在南極冰立方中留下一種非常明顯的痕迹。藍色代表冰立方探測器，虛線表示了粒子的軌迹。軌迹周圍的有色區域代表了不同類型的粒子所發出的切連科夫光模式。顔色從紅色到綠色表示光從先到後的産生時間。| 圖檔來源：Alexander Burgman, IceCube Collaboration
正因如此，冰立方的科學家決定在8年間的冰立方資料中尋找磁單極子的迹象。他們首先篩選出了格外明亮的事件，并尋找沿着路徑的均勻發射。由于磁單極子可以完全貫穿探測器，他們要排除那些非貫穿性的軌迹。接着，研究人員訓練了一個機器學習的事件描述工具（提升決策樹），來區分樣本中的磁單極子事件和μ子事件。
近期，團隊釋出了這項搜尋的結果。不幸的是，科學家沒能找到任何宇宙磁單極子的特征。
在對撞機中尋找
除了捕捉宇宙中的磁單極子，科學家也正努力在實驗室中“創造”出這種粒子。
曾在希格斯玻色子的發現中立下功勞的LHC（大型強子對撞機）的一類新實驗，創造了更有可能産生磁單極子的條件，讓研究人員能提煉磁單極子可能的性質。
LHC最常見的是在極高的能量下将質子粉碎。但在2018年，LHC粉碎了一種不同的粒子，也就是重離子，具體來說是鉛核。這些粒子包含數百個質子和中子，這種重的特點意味着它們隻能在比單質子對撞更低的能量下進行對撞。
然而，如果這些鉛核意外地斜撞或非常接近地擦肩而過，它們的互相作用可以産生一些壯觀的東西，那将是宇宙中已知的最強磁場之一，比在中子星中發現的磁場還要強一百萬倍。這些磁場隻能持續極短的時間，但它們的存在為産生磁單極子提供了一種不同的機制。
通過将重離子對撞，試圖産生磁單極子。| 圖檔來源：James Pinfold, MoEDAL Collaboration
這一理論遵循的是一種能産生“電版本”的單極子的機制。1930年代提出的施溫格機制認為，強電場将與真空中的量子漲落互相作用，産生正和負的“電單極子”（電子和正電子）。類似的，科學家推測，一個強磁場應該會帶來南與北的磁單極子。
在質子對撞中，粒子産生于一次激烈的對撞，而與之不同的是，在施溫格機制中，粒子産生于大量的小的互相作用。研究人員可以從理論上描述這些作用。
重要的是，這讓研究人員可以預測這種機制會産生多少個單極子。這種預測取決于磁單極子有多重。簡單來說，如果它們過重，那麼LHC的鉛核就沒有足夠的能量制造出它們。
在2018年的實驗中，研究人員就發現了這種情況，他們沒能産生磁單極子。
對科學來說，即使是負面結果也有其正面而積極的意義。它們仍然能讓我們探索自然的本質。這些實驗同時證明了，如果磁單極子的确存在，它們的重量一定超過了一個特定的極限（75 GeV/c ）。新的結果發表于近期的《自然》雜志上。
失蹤之謎
磁單極子的失蹤之謎仍然沒有揭開，但許多實體學家仍然相信，這并不意味着磁單極子就不存在。在我們目前“最喜歡”的早期宇宙模型中，磁單極子是一種“打包票”的粒子。
如果最終證明它們真的不存在，我們就必須重新思考我們目前世界模型的最基本假設。
#創作團隊：
撰文：Takeko
排版：雯雯
#參考來源：
https://icecube.wisc.edu/news/research/2022/01/icecube-and-the-mystery-of-the-missing-magnetic-monopoles/
https://www.imperial.ac.uk/news/233494/strongest-magnetic-fields-universe-search-magnetic/
https://www.symmetrymagazine.org/article/the-hunt-for-the-truest-north
https://physicsworld.com/a/magnetic-monopoles-seen-in-the-lab/
#圖檔來源：
封面圖：Dominguez, Daniel/CERN
首圖：Dominguez, Daniel/CERN