發表在《物理評論快報》上的一項新研究報告說，一些世界上最強大的粒子加速器已經幫助研究人員從轟擊地球大氣層的高能宇宙射線的碰撞中得出了關于長期理論磁單極子存在的新的領先限制。

每個人都非常熟悉磁鐵，在日常生活中有著廣泛的應用，從電視和電腦到兒童玩具。但是，將任何磁鐵(例如由北極和南極組成的導航羅盤指針一分為二)將導致僅兩個較小的兩極磁鐵。自 1931 年以來，這個謎團一直困擾著研究人員數十年，當時物理學家保羅·狄拉克 (Paul Dirac) 推測存在單極“磁單極子”——與電子相當但帶有磁荷的粒子。

為了探索是否存在磁單極子，包括東京大學卡夫利宇宙物理與數學研究所 (Kavli IPMU) 研究員 Volodymyr Takhistov 在內的一個國際研究小組研究了來自各種地面實驗的可用數據，并開展了迄今為止最敏感的搜索范圍廣泛的可能質量的單極子。研究人員專注于一個不尋常的單極子來源——宇宙射線的大氣碰撞已經發生了數萬年。

這項跨學科研究需要匯集來自幾個不同科學領域的專業知識——包括加速器物理學、中微子相互作用和宇宙射線。

宇宙射線與大氣的碰撞已經在推進科學方面發揮了核心作用，尤其是對幽靈中微子的探索。這導致 Kavli IPMU 高級研究員 Takaaki Kajita 通過 Super-Kamiokande 實驗發現中微子在飛行中振蕩，從而獲得 2015 年諾貝爾物理學獎，這意味著它們具有質量。

部分受到 Super-Kamiokande 成果的啟發，該團隊著手研究單極子。特別有趣的是質量在電弱尺度左右的輕單極子，傳統的粒子加速器可以很容易地獲得這些光單極子。

通過模擬宇宙射線碰撞，類似于歐洲核子研究中心大型強子對撞機的粒子碰撞，研究人員在不同的陸地實驗中獲得了持續的光單極子光束。

這種獨特的單極子來源特別有趣，因為它獨立于任何預先存在的單極子，例如那些可能作為早期宇宙遺跡遺留下來的單極子，并且涵蓋了廣泛的能量。

通過重新分析來自大量先前實驗單極子搜索的數據，研究人員確定了對各種質量的單極子的新限制，包括那些超出常規對撞機單極子搜索范圍的限制。

研究人員研究的這些結果和單極子來源將作為解釋未來在陸地實驗室進行的單極子搜索的有用基準。