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素粒子物理学者たちは、誰も見たことのないたくさんの粒子を発明してきました。しかし、特別なものが一つあります：磁気単極子です。磁石には常に二つの極があります。それらを分割すると、単に二つの小さな磁石ができるだけで、それぞれに二つの極があります。これは基本的に、磁極が一つだけのものは存在しないからです。
磁気単極子とは、北極か南極のどちらか一方だけの磁極を持つ粒子のことで、ちょうど正と負の電荷を持つ粒子があるのと同じです。磁気単極子は多くの問題を解決できますが、これまで物理学者たちは、もしそれが存在するなら、パラドックスを引き起こし、不可分な粒子を分解してしまうと考えていました。
しかし今、彼らはついにそのパラドックスの説明を見つけたと考えており、磁気単極子の存在可能性はかつてないほど高まっています。
磁気単極子は1931年にポール・ディラックによって初めて導入されました。彼は理論物理学者は「理論物理学の既存の基礎を形成する数学的形式主義を完璧にし、一般化するために、純粋数学のあらゆる資源を活用すべきだ」と書きました。この場合、彼が取り除きたかった不完全さは、電磁気学のマクスウェル方程式が、本来可能な美しさを持っていないということです。
あなた自身でここで見ることができます。Eは電場で、Bは磁場です。マクスウェル方程式はそれらの場をρとJに関連付けます。これらはそれぞれ電荷密度と電流です。しかし、これらの方程式は、磁気源がないため対称的ではありません。それが不完全さです。
しかし、磁荷と磁流も導入することで、これを簡単に修正できます。私は電荷密度と電流には「e」の添え字を、磁気のものには「m」の添え字を使いました。そして、方程式がどれほど美しく見えるかを見てください。
さらに良いことに、ディラックが指摘したように、磁気単極子が存在すれば、電荷が離散的な単位で存在する理由を説明できます。これは量子力学が、電子が単なる粒子ではなく、波でもあることを教えてくれたからです。そして電子の波は磁気単極子を包み込むことができます。しかし波の位相、つまり山と谷がある場所は磁極によってずれます。それでも単極子の反対側では再び一致しなければなりません。これは、電荷の単位と磁荷の単位が整数関係を持つ場合にのみ機能します。
ディラックがこれは真実に違いないと考えた理由も、当時の多くの物理学者も同様に考えた理由も完全に理解できます。彼らは誰も磁気単極子を見たことがないという事実にはあまり悩まされませんでした。彼らは、おそらくそれらは非常に稀であるか、生成が困難なのだろうと考えました。
そして、1970年代に標準模型を完成させた後、彼らは磁気単極子を探す実験を構築しました。実際にいくつか見つけました。1975年に検出が報告されました。別のものが1982年に、さらに別のものが1985年に報告されました。これらの検出は確認されませんでしたが、素粒子物理学者たちはご存知の通り、もっと良い検出器が必要なだけだと言いました。
証拠の欠如は彼らの熱意を冷めさせませんでしたが、理論的な問題が生じました。計算によると、磁気単極子は非常に奇妙なパラドックスをもたらすことがわかったのです。それらの存在は粒子を分解するように見えました。
部分的な電荷という意味ではなく、粒子数の分数という意味です。半分の電荷を持つ一つの粒子ではなく、電荷を持つ半分の粒子です。数学的にはそれができますが、物理的には意味がありません。一つの粒子は定義上、最小の単位です。半分妊娠することができないのと同様に、半分の粒子を持つことはできません。
彼らはそれらの部分的な粒子を「セミトーン」と呼びました。そしてこれが物理学者たちに、磁気単極子がそれほど良いアイデアなのかどうか疑問を抱かせました。この問題を逆に解釈することができるからです。粒子を数えることができるようにしたいのなら、磁気単極子は存在できません。したがって、このパラドックスは磁気単極子の不在を説明しているように思えました。
しかし、新しい論文で物理学者たちのチームは、このパラドックスはパラドックスではないと述べています。著者らは、単極子が部分的な粒子をもたらすと考えたことがずっと間違いだったと示しています。彼らは、数学的には粒子の分数が存在するように見えますが、これらは物理的に実在するものではないと言います。これらの分数は実際には一緒になって、結局は一つの粒子を表しているのです。
これはとても素晴らしいことです。なぜなら、磁気単極子が存在すれば、大きな進展になるからです。一つには、すでに見たように、電荷が離散的な単位で存在する理由を説明できます。また、暗黒物質を構成する可能性もあります。さらに、ほとんどの統一場理論には単極子が含まれているため、力の統一が確かに正しい道筋であるという強力な手がかりになるでしょう。
このすべてに対する別の視点は、ディラックの「理論物理学者は自然の法則をより数学的に完璧にしようとすべきだ」という主張が、理論物理学が間違った方向に進んだ時だということです。
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