Introduzione:

Nella vasta distesa del nostro universo si trovano fenomeni enigmatici che continuano a intrigare e sfidare la nostra comprensione del cosmo, tra di essi ci sono oggetti che generano potentissimi campi magnetici. Una delle proprietà più fondamentali del magnetismo è che un magnete ha sempre due poli, nord e sud che non possono essere separati in poli isolati, ossia in monopoli magnetici. Tuttavia, ci sono state e ci sono ancora forti argomentazioni teoriche a favore dell'esistenza dei monopoli magnetici. Nonostante ricerche estensive, finora non sono stati trovati, ma hanno comunque svolto un ruolo centrale nella nostra comprensione della fisica a livello più fondamentale.

Breve storia:

Nella sua teoria sull'elettromagnetismo, J. Clerk Maxwell ipotizzò l'assenza di cariche magnetiche, senza spiegarne il motivo, anche se la sua struttura avrebbe permesso di includerle facilmente. Le cariche magnetiche venivano talvolta discusse per illustrare qualche aspetto della fisica, o come strumento matematico conveniente, ma non venivano considerate come oggetti fisici reali. Un'eccezione a questo fu Pierre Curie che nel 1894 speculò sulla possibilità di cariche magnetiche libere.

Inizialmente, quando la meccanica quantistica fu sviluppata all'inizio del XX secolo, sembrava contraddire l'esistenza di cariche magnetiche isolate. Tuttavia, nel 1931 Paul Dirac dimostrò che in realtà la meccanica quantistica consente certe cariche magnetiche quantizzate. Inoltre l'esistenza di cariche magnetiche spiegherebbe la quantizzazione della carica elettrica osservata che fino ad allora era un mistero. Infine, nel 1974 Gerard 't Hooft e Alexander Polyakov dimostrarono che i monopoli magnetici sono previsti da tutti i modelli di Grande Teoria Unificata (GUT), i quali mirano a descrivere le interazioni elettromagnetiche e le forze nucleari deboli e forti attraverso una singola teoria unificata.

Caratteristiche dei monopoli:

Nel 1931 Paul Dirac descrisse in un suo lavoro la relazione tra la carica elettrica elementare "e" e la carica magnetica "g", come soluzione alle equazioni dell'elettromagnetismo. Il lavoro teorico di Dirac gettò le basi per la ricerca sui monopoli magnetici che successivamente divennero oggetto di indagine nel quadro più ampio della fisica delle particelle. Alcuni esperimenti negli acceleratori, come al CERN di Ginevra sono stati studiati con lo scopo di poter rivelare anche i monopoli magnetici nella regione di energia dei TeV.

La relazione di Dirac, si nota che la relazione è quantizzata e in funzione della struttura fine, dove n è un numero intero (quantizzazione).

La relazione di Dirac implica che l'interazione magnetica tra due monopoli è in realtà molto forte, questo potrebbe di fatto rendere impossibile la separazione. In più le teorie GUT includono la possibilità di masse e quindi energie enormi per i monopoli:

Monopoli magnetici e raggi cosmici:

C'è la possibilità che i monopoli magnetici possano trovarsi tra le particelle dei raggi cosmici primari. Non è da escludere nemmeno la loro formazione attraverso le interazioni che avvengono in atmosfera che portano alla formazione di particelle pesanti e possono portare alla creazione di particelle esotiche, tra le quali i monopoli. I livelli attesi di energia possono sicuramente essere registrati dagli osservatori di raggi cosmici in alta quota, o anche nel sottosuolo come è stato fatto in MACRO al Gran Sasso. Comunque ancora non c'è una previsione definita sui livelli di energia per i monopoli "cosmici". Sono attesi monopoli cosmici con masse che si estendono dalla scala TeV fino a quella GUT (10¹⁶ GeV/c²). Sono stati utilizzati diversi metodi di rilevamento per sfruttare diverse possibilità. Ora si stanno aprendo miglioramenti pianificati per molti rilevatori e l'uso di metodi di analisi raffinati per nuove ricerche sui monopoli cosmici.

L'esperimento Slim da 400 metri quadrati di superficie, a 5230 metri di altezza a Chacaltaya (Bolivia) è stato utilizzato per la caccia ai monopoli cosmici. (Collaborazione di INFN - Bologna)

"Monopoli" nella ricerca dei materiali:

Oltre ai monopoli di origine cosmica, altre ricerche evidenziano la possibile manifestazione di monopoli magnetici. E' di pochi giorni fa la notizia della possibile osservazione di monopoli magnetici nell'ematite. La ricerca prevede la scoperta di strutture magnetiche uniche, compresi i monopoli magnetici, in un materiale naturale chiamato ematite. L'ematite è un ossido di ferro prevalentemente antiferromagnetico, il che significa che i suoi momenti magnetici si allineano in modo da annullare il loro campo magnetico complessivo. Tuttavia, utilizzando tecniche avanzate come la magnetometria quantistica del diamante, i ricercatori delle università di Oxford e Cambridge sono stati in grado di identificare e caratterizzare queste strutture magnetiche mai viste prima.

Il team ha osservato varie configurazioni magnetiche insolite, inclusi monopoli, dipoli e quadrupoli bidimensionali, all’interno del campione di ematite. Questa scoperta è significativa perché è la prima volta che viene osservato un monopolo bidimensionale in un magnete naturale. I ricercatori hanno anche notato le potenziali applicazioni delle loro scoperte. Queste strutture magnetiche appena osservate potrebbero servire da indicatori per altri effetti magnetici esotici e potrebbero aiutare a classificare diversi stati antiferromagnetici. Inoltre il team mira a utilizzare queste scoperte nello sviluppo di nuovi dispositivi per l'informatica di prossima generazione. Stanno esplorando concetti come l'imitazione dei neuroni biologici e la creazione di "piste" nanoscopiche per i vortici magnetici osservati, con l'obiettivo finale di costruire dispositivi informatici efficienti e innovativi.

Nel complesso, va considerato che i ricercatori hanno osservato varie strutture magnetiche, inclusi monopoli, all’interno del campione di ematite. Queste strutture rappresentano stati collettivi di momenti magnetici piuttosto che monopoli magnetici individuali. Il termine "monopoli magnetici" è qui usato per descrivere fenomeni emergenti in cui il comportamento collettivo di molti spin assomiglia al comportamento di monopoli magnetici isolati. Tuttavia, queste non sono particelle individuali con poli magnetici nord o sud isolati come originariamente teorizzato da Dirac. Sono invece stati collettivi che imitano il comportamento dei monopoli magnetici. Pertanto, sarebbe più accurato descriverli come proprietà emergenti piuttosto che come singoli monopoli magnetici.

M. A.

fonti:
http://www.fiumsa.edu.bo/posters/Chacaltaya1.pdf
https://royalsocietypublishing.org/doi/epdf/10.1098/rsta.2018.0328
https://cds.cern.ch/record/1733143/files/vol41-issue1-p022-e.pdf?version=1
https://cds.cern.ch/record/257300/files/P00020071.pdf
https://arxiv.org/pdf/1204.3077.pdf
http://theory.caltech.edu/~preskill/pubs/preskill-1984-monopoles.pdf

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