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L’impatto che potrebbero avere i monopoli magnetici sull’universo

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Tra tutte le particelle conosciute, sia fondamentali che composite, emergono un’intera sfilza di proprietà. Ogni singolo quanto nell’Universo può avere una massa o può essere senza massa. Possono avere una carica di colore, nel senso che si accoppiano alla forza forte, oppure possono essere senza carica.

Possono avere una debole ipercarica e/o un debole isospin, oppure possono essere completamente disaccoppiati dalle interazioni deboli. Possono avere una carica elettrica, oppure possono essere elettricamente neutri. Possono avere uno spin, o un momento angolare intrinseco, oppure possono essere senza spin. E se hai sia una carica elettrica che una qualche forma di momento angolare, avrai anche un momento magnetico: una proprietà magnetica che si comporta come un dipolo, con un’estremità nord e un’estremità sud.

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Ma non ci sono entità fondamentali che hanno una carica magnetica unica, come un polo nord o un polo sud unici. Questa idea, di un monopolio magnetico, esiste da molto tempo come un costrutto puramente teorico, ma ci sono ragioni per prenderla sul serio come una presenza fisica nel nostro Universo.

All’inizio del 1800 si conosceva poco di elettricità e magnetismo. Era generalmente riconosciuto che esisteva una cosa come la carica elettrica, che era di due tipi, dove le cariche simili si respingono e le cariche opposte si attraggono, e che le cariche elettriche in movimento creano correnti: quella che oggi conosciamo come “elettricità”. Sapevamo anche dei magneti permanenti, dove un lato agiva come un “polo nord” e l’altro lato come un “polo sud”. Tuttavia, se rompessi in due un magnete permanente, non importa quanto piccolo lo tagliassi, non ti ritroverai mai con un polo nord o un polo sud da solo; le cariche magnetiche sono accoppiate solo in una configurazione a dipolo.

Nel corso del 1800, sono avvenute una serie di scoperte che ci hanno aiutato a dare un senso all’Universo elettromagnetico. Abbiamo imparato a conoscere l’induzione: come le cariche elettriche in movimento generano effettivamente campi magnetici e come i campi magnetici variabili, a loro volta, inducono correnti elettriche. Abbiamo imparato a conoscere la radiazione elettromagnetica e come le cariche elettriche in accelerazione possono emettere luce di varie lunghezze d’onda. E quando abbiamo messo insieme tutte le nostre conoscenze, abbiamo appreso che l’Universo non è simmetrico tra campi e cariche elettriche e magnetiche: le equazioni di Maxwell possiedono solo cariche e correnti elettriche. Non ci sono cariche o correnti magnetiche fondamentali e le uniche proprietà magnetiche che osserviamo sono indotte da cariche e correnti elettriche.

Matematicamente è molto facile modificare le equazioni di Maxwell per includere cariche e correnti magnetiche: dove aggiungi semplicemente la capacità per gli oggetti di possedere anche una carica magnetica fondamentale: un individuo “nord” o polo “sud” inerente a un oggetto stesso. Quando introduci questi termini aggiuntivi, le equazioni di Maxwell subiscono una modifica e diventano completamente simmetriche. All’improvviso, l’induzione ora funziona anche nell’altro modo: le cariche magnetiche in movimento genererebbero campi elettrici e un campo elettrico variabile può indurre una corrente magnetica, facendo muovere e accelerare le cariche magnetiche all’interno di un materiale che può trasportare una corrente magnetica.

Tutto questo è stato semplicemente una considerazione fantasiosa per molto tempo, fino a quando non abbiamo iniziato a riconoscere i ruoli che le simmetrie giocano in fisica e la natura quantistica dell’Universo. È eminentemente possibile che l’elettromagnetismo, a uno stato energetico più elevato, sia simmetrico tra i componenti elettrici e magnetici e che viviamo in una versione a simmetria rotta e a bassa energia di quel mondo. Sebbene Pierre Curie, nel 1894, sia stato uno dei primi a far notare che possono esistere “cariche” magnetiche, fu Paul Dirac, nel 1931, a mostrare qualcosa di notevole: che se si avesse anche una sola carica magnetica, in qualsiasi parte dell’Universo, la meccanica quantistica implica che le cariche elettriche dovessero essere quantizzate ovunque.

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Questo è affascinante, perché non solo si osserva che le cariche elettriche vengono quantizzate, ma sono quantizzate in quantità frazionarie quando si tratta di quark. In fisica, uno dei “suggerimenti” più potenti che abbiamo che nuove scoperte potrebbero essere dietro l’angolo è scoprire un meccanismo che potrebbe spiegare perché l’Universo ha le proprietà che osserviamo avere.

Tuttavia, nulla di tutto ciò fornisce alcuna prova che i monopoli magnetici esistano effettivamente, suggerisce semplicemente che potrebbero. Dal punto di vista teorico, la meccanica quantistica è stata presto sostituita dalla teoria quantistica dei campi, in cui anche i campi sono quantizzati. Per descrivere l’elettromagnetismo, è stato introdotto un gruppo di gauge noto come U(1). Nella teoria di gauge, le cariche fondamentali associate all’elettromagnetismo saranno quantizzate solo se il gruppo di gauge, U(1), è compatto; se il gruppo di gauge U(1) è compatto, invece, otteniamo comunque monopoli magnetici.

Di nuovo, potrebbe rivelarsi un motivo diverso per cui le cariche elettriche devono essere quantizzate, ma sembra – almeno con il ragionamento di Dirac e ciò che sappiamo del modello standard – che non ci sia motivo per cui i monopoli magnetici non dovrebbero esistere.

Per molti decenni, anche dopo numerosi progressi matematici, l’idea dei monopoli magnetici è rimasta solo una curiosità che aleggiava nelle menti dei teorici, senza che venissero fatti progressi sostanziali. Ma nel 1974, pochi anni dopo aver riconosciuto l’intera struttura del Modello Standard — che nella teoria dei gruppi è descritto da SU(3) × SU(2) × U(1) – i fisici hanno iniziato a considerare l’idea dell’unificazione. Mentre, a basse energie, SU(2) descrive l’interazione debole e U(1) descrive l’interazione elettromagnetica, in realtà si unificano a energie di circa ~100 GeV: la scala elettrodebole. A quelle energie, il gruppo combinato SU(2) × U(1) descrive le interazioni elettrodeboli e queste due forze si uniscono.

È possibile, quindi, che tutte le forze fondamentali si uniscano in una struttura più ampia ad alte energie? Potrebbero, e così l’idea delle Grandi Teorie Unificate cominciò a nascere. Cominciarono a essere presi in considerazione gruppi di gauge più grandi, come SU(5), SO(10), SU(6), e anche gruppi eccezionali. Quasi immediatamente, tuttavia, cominciarono a emergere una serie di conseguenze inquietanti ma entusiasmanti. Queste grandi teorie unificate prevedevano tutte che il protone sarebbe stato fondamentalmente stabile e sarebbe decaduto; che esisterebbero nuove particelle superpesanti; e che, come dimostrato nel 1974 sia da Gerard t’Hooft che da Alexander Polyakov, avrebbero portato all’esistenza di monopoli magnetici.

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Ora, non abbiamo prove che le idee della grande unificazione siano rilevanti per il nostro Universo, ma è possibile che lo siano. Ogni volta che prendiamo in considerazione un’idea teorica, una delle cose che cerchiamo sono le patologie: ragioni per cui qualunque scenario ci interessi potrebbe “rompere” l’Universo in un modo o nell’altro. In origine, quando furono proposti i monopoli t’Hooft-Polyakov, fu scoperta una di queste patologie: il fatto che i monopoli magnetici avrebbero fatto qualcosa chiamato “sovrachiudere l’Universo“.

Nell’Universo primordiale, le cose sono abbastanza calde ed energiche che qualsiasi coppia particella-antiparticella che puoi creare con energia sufficiente – tramite E = mc 2 verrà creata. Quando hai una simmetria rotta, puoi dare una massa a riposo diversa da zero a una particella precedentemente priva di massa, oppure puoi strappare spontaneamente un numero copioso di particelle (o coppie particella-antiparticella) dal vuoto quando la simmetria si rompe. Un esempio del primo caso è ciò che accade quando la simmetria di Higgs si rompe; il secondo caso potrebbe verificarsi, ad esempio, quando la simmetria di Peccei-Quinn si rompe, estraendo gli assioni dal vuoto quantistico.

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In entrambi i casi, questo potrebbe portare a qualcosa di devastante.

Normalmente, l’Universo si espande e si raffredda, con la densità energetica complessiva strettamente correlata al tasso di espansione in qualsiasi momento. Se si prende un gran numero di particelle precedentemente prive di massa e si dà loro una massa diversa da zero, o si aggiunge improvvisamente e spontaneamente un gran numero di particelle massicce all’Universo, si aumenta rapidamente la densità di energia. Con più energia presente, improvvisamente il tasso di espansione e la densità di energia non sono più in equilibrio; c’è troppa “roba” nell’Universo.

Ciò fa sì che il tasso di espansione non solo diminuisca, ma nel caso della produzione monopolistica, precipiti completamente fino a zero e quindi l’universo inizi a contrarsi. In breve tempo, questo porta a una ricaduta dell’Universo, che si conclude con un Big Crunch. Questo si chiama sovrachiudere l’Universo e non può essere una descrizione accurata della nostra realtà; siamo ancora qui e l’universo non si sta contraendo. Questo enigma era conosciuto come il problema del monopolio ed era una delle tre principali motivazioni dell’inflazione cosmica.

Proprio come l’inflazione dilata l’Universo, qualunque fosse la sua geometria in precedenza, fino a uno stato indistinguibile da piatto (risolvendo il problema di planarità), e impartisce le stesse proprietà ovunque a tutte le posizioni all’interno del nostro Universo osservabile (risolvere il problema dell’orizzonte), fintanto che l’universo non si riscalda mai al di sopra della scala della grande unificazione dopo la fine dell’inflazione, può anche risolvere il problema del monopolio.

Questo è stato compreso nel lontano 1980 e l’interesse combinato per i monopoli t’Hooft-Polyakov, le teorie della grande unificazione e i primi modelli di inflazione cosmica ha portato alcune persone a intraprendere un’impresa straordinaria: provare a rilevare sperimentalmente i monopoli magnetici. Nel 1981, il fisico sperimentale Blas Cabrera costruì un esperimento criogenico che coinvolgeva una bobina di filo, esplicitamente progettata per cercare monopoli magnetici.

Costruendo una bobina con otto anelli al suo interno, ha ragionato che se un monopolo magnetico fosse mai passato attraverso la bobina, avrebbe visto un segnale specifico a causa dell’induzione elettrica che si sarebbe verificata. Proprio come il passaggio di un’estremità di un magnete permanente dentro (o fuori) una bobina di filo indurrà una corrente, il passaggio di un monopolo magnetico attraverso quella bobina di filo dovrebbe indurre non solo una corrente elettrica, ma una corrente elettrica che corrisponde esattamente a 8 volte il valore teorico della carica del monopolo magnetico, a causa degli 8 loop nella sua configurazione sperimentale (se passasse un dipolo, invece, ci sarebbe un segnale di +8 seguito poco dopo da un segnale di -8, permettendo di differenziare i due scenari).

Il 14 febbraio 1982 nessuno era nell’ufficio a monitorare l’esperimento. Il giorno dopo, Cabrera tornò e rimase scioccato da ciò che osservò. L’esperimento aveva registrato un unico segnale: uno corrispondente quasi esattamente al segnale che un monopolo magnetico dovrebbe produrre.

Ciò scatenò un enorme interesse per l’impresa. Significava che l’inflazione era sbagliata e che avevamo davvero un Universo con monopoli magnetici? Significava che l’inflazione era corretta e che l’unico (al massimo) monopolo rimasto nel nostro Universo era passato attraverso il rivelatore di Cabrera? O significava che questo era il massimo degli errori sperimentali: un problema tecnico, uno scherzo o qualcos’altro che non potevamo spiegare, ma era spurio?

Ne seguirono numerosi esperimenti di copiatura, molti dei quali più grandi, in funzione per tempi più lunghi e con un numero maggiore di anelli nelle loro bobine, ma nessun altro ha mai visto nulla che assomigliasse a un monopolo magnetico.

Ma nonostante tutti gli esperimenti che abbiamo condotto, inclusi alcuni che sono continuati fino ai giorni nostri, non sono stati rilevati altri segni di monopoli magnetici. Lo stesso Cabrera ha continuato a condurre numerosi altri esperimenti, ma potremmo non sapere mai cosa accadde veramente quel giorno nel 1982. Tutto ciò che sappiamo è che, senza la capacità di confermare e riprodurre quel risultato, non possiamo affermare di avere prove dirette per il esistenza di monopoli magnetici.

C’è così tanto che non sappiamo sull’Universo, compreso ciò che accade a energie molto superiori a quelle che possiamo osservare nelle collisioni che avvengono al Large Hadron Collider. Non sappiamo se, a qualche scala di alta energia, l’Universo possa effettivamente produrre monopoli magnetici; sappiamo semplicemente che alle energie che possiamo sondare, non le abbiamo viste. Non sappiamo se la grande unificazione sia una proprietà del nostro Universo nelle prime fasi, ma sappiamo questo: qualunque cosa sia accaduta all’inizio, non ha chiuso eccessivamente l’Universo e non ha riempito il nostro Universo con reliquie ad alta energia avanzate da uno stato caldo e denso.

Il nostro Universo, ad un certo livello, ammette l’esistenza di monopoli magnetici? Non è una domanda a cui attualmente possiamo rispondere. Quello che possiamo affermare con sicurezza, tuttavia, è quanto segue:

  • c’è un limite superiore alla temperatura raggiunta nelle prime fasi del caldo Big Bang,
  • tale limite è fissato dai vincoli sulle osservazioni delle onde gravitazionali generate dall’inflazione,
  • che se la grande unificazione è rilevante per il nostro Universo, è consentita solo a scale di energia al di sopra di tale limite,
  • il che significa che se esistono monopoli magnetici, è necessario che abbiano una massa a riposo molto elevata: qualcosa dell’ordine di 10 15 GeV o superiore.

Sono passati quasi 40 anni da quando l’unico indizio sperimentale che suggeriva la possibile esistenza di monopoli magnetici ci è caduto in grembo. Fino a quando non arriverà un secondo indizio, tuttavia, tutto ciò che potremo fare è rafforzare i nostri vincoli su dove questi ipotetici monopoli non possono nascondersi.

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