Magnetische Monopole

Elektronen haben nur eine Ladungseinheit, damit handelt es sich um einen elektrischen Monopol. Von Magneten hingegen kennt man nur solche, die sowohl einen Süd- als auch einen Nordpol haben - also Dipole sind. Der Grund dafür ist, dass Magnete ihre Quelle in kreisenden elektrischen Strömen haben - beim Eisenmagneten sind das die Elektronen, die um die Atomkerne kreisen.

Das liegt daran das bewegte Ladungen ein Magnetfeld erzeugen und sich verändernde Magnetfelder führen zu elektrischen Feldern, dies wird durch die Maxwellschen Gleichungen beschrieben, diese schließen aber nicht aus, dass auch bewegte magnetische Monopole - die nur aus Süd- oder Nordpol bestehen elektrische Felder aussenden könnten.

Die Maxwellschen Gleichungen fordern keinen Magnetischen Monopol,  aber - was viel wichtiger ist - sie schließen die Existenz eines Magnetischen Monopols  nicht aus, er ist lediglich noch nicht gefunden worden.

Die Existenz eines Magnetischen Monopols würde den Physikern aber gut ins Konzept passen, nicht zuletzt deswegen, weil sie eine zusätzliche Symmetrie in die Maxwellschen Gleichungen einbringen würden - weil die Gleichungen dann auch für bewegte magnetische Pole und die von ihnen erzeugten elektrischen Felder gelten würden.

Laut Dirac würde die Existenz eines Magnetischen Monopols zudem die Elementarladung des Elektrons eindeutig festlegen, da nach seinen Berechnungen von 1931 das Produkt der elektrischen und magnetischen Elementarladung ein ganzzahliges Vielfaches des  Planckschen Wirkungsquantums ergeben soll. Als Konsequenz müsste das Elektron überall im Universum die gleiche Ladung haben, wenn auch nur ein einziger Magnetischer Monopol existiert. Das könnte dann erklären, warum man nur ganzzahlige vielfache dieser Elementarladung antrifft - abgesehen natürlich von den gedrittelten Ladungen der Quarks, die aber nie alleine auftreten können.

Lange Zeit war das Magnetische Monopol nur ein theoretisches Teilchen, die wissenschaftlichen Theorien verboten seine Existenz nicht, aber es war auch nicht von großer Bedeutung.

Das änderte sich in den 1970ern, als die Physiker sich auf die Suche nach einer vereinheitlichten Theorie der Naturkräfte begaben - sogenannte GUTs: Grand Unified Theories. Einige dieser Vereinheitlichten Theorien - wie zum Beispiel die Superstringtheorie -erlauben nicht nur das Vorhandensein, sie forderten die Existenz des magnetischen Monopols und machen darüber hinaus Aussagen über seine Eigenschaften.

So sollte der Monopol eine Masse von bis zu 1015 Protonenmassen haben und damit etwa so schwer sein wie ein Bakterium und bei der Wechselwirkung mit Materie sollte es spezifische Radioaktive Zerfälle auslösen, die sich in der kosmischen Strahlung nachweisen lassen müssten.

In Experimenten mit dem MACRO Detektor am "Laboratori Nazionali del Gran Sasso" des INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) in Italien konnte in den 1990ern leider kein magnetischer Monopol nachgewiesen werden, aber immerhin lieferten diese Experimente weitere Grenzen für die Eigenschaften dieser seltsamen Teilchen.

Weil Magnetische Monopole laut den Vorhersagen der Theorie einen Protonenzerfall auslösen, bei dem auch je ein Neutrino ausgesandt wird, erwartet man, dass sich der Durchgang eines solchen Teilchens in den Neutrinodetektoren als ein Anstieg der Neutrinozahl zeigen würde, der Pfad des Monopols könnte dann rekonstruiert werden. Aber auch dies ist mit MACRO-Experiment und anderen Detektoren bislang nicht beobachtet worden.

Am Fermilab hat man schließlich theoretische Berechnungen angestellt, die für ein punktförmiges Teilchen mit einer Masse um die 1000 Protonenmassen vorhersagen über die Art machen, wie es Licht streut, dabei ist  aber noch nicht klar, ob diese Annahme für Magnetische Monopole zutreffend ist.

In der Analyse der von 1994 - 1995 gemachten Läufen des Tevatron-Teilchenbeschleunigers und im Vergleich mit Daten des CERN konnten diese besonderen Photonen aber wieder nicht nachgewiesen werden, so dass die Existenz von Magnetischen Monopolen mit bis zu 1000 Protonenmassen als unwahrscheinlich gelten muss, was zumindest obigen Überlegungen nicht wiederspricht, so das man jetzt zumindest über eine obere und untere Grenze für die Masse des Monopols besitzt..

Nachdem alle bisherigen Versuche mit Ausnahme von ein oder zwei Fehlalarmen zum Nachweis der Monopole gescheitert sind muss man sich allerdings fragen, warum die Experimental- und Astrophysiker trotzdem so besessen davon sind eines zu finden.

Zunächst einmal könnten Magnetische Monopole einen aufschlussreichen Einblick in die Entstehung des Universums bieten. Aktuelle Modelle von den ersten Momenten nach dem Urknall gehen davon aus, dass es kurz nach dem Knall zu einer inflationären Ausdehnung des Weltalls gekommen ist, der wir die großräumige Struktur des Universums und die Verteilung der Hintergrundstrahlung, wie wir sie heute beobachten, zu verdanken haben, dabei kam es der Theorie nach zu Störungen in der Topologie - der Form und Oberfläche - des Universums, wobei Magnetische Monopole entstanden sein sollen. Der Urknall ist auch die einzige Energiequelle die so enorme Mengen an Energie bereitstellen konnte, um diese schweren Teilchen entstehen zu lassen.

In diesem Modell der Entstehung des Universums sollten Magnetischen Monopole nur sehr dünn gestreut sein, weil die Inflationäre Ausdehnung nur die Entstehung von sehr wenigen Monopolen zugelassen hätte, so dass ihr Nachweis als sehr unwahrscheinlich gilt. Ohne Inflation hingegen sollte die Monopoldichte im Universum 1011 mal größer sein als die Dichte der restlichen Materie - in diesem Fall hätte die Masse der Monopole ausgereicht, um das Universum sofort wieder kollabieren zu lassen.

Offensichtlich war das nicht der Fall, was gemeinhin als starker Hinweis auf das Stattfinden der Inflation gewertet werden muss.

Modellrechnungen gehen davon aus, dass ein Magnetischer Monopol etwa einmal im Jahr die Fläche eines Fußballfeldes durchqueren sollte, diese Grenze für die Anzahl nennt man auch Parker Grenze, demnach würde eine größere Zahl der Teilchen des Magnetische Feld der Milchstrasse allmählich aufbrauchen, um die Energieerhaltung bei ihrem Durchgang durch dieses Feld zu gewährleisten.

Eigentlich sollte die Astrophysiker also froh sein, dass noch keine Monopol aufgetaucht ist, denn wenn es zu viele davon gäbe müssten sie ihre Theorien überarbeiten, aber andererseits böte ein beobachtetes Monopol für die Teilchenphysiker eine Erklärung, warum es nur eine ganz bestimmte Elementarladung gibt und es würde die Vereinheitlichten Theorien in einem wichtigen Punkt bestätigen.

Und so suchen sowohl Astro- als auch Teilchenphysiker weiter nach dem mysteriösen Magnetischen Monopol, die ersten, weil ihre Theorien prüfen wollen und die anderen, weil sie dem Wesen der Naturkonstanten auf der Spur sind.


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BeitragvonDatumAntworten Letzte Antwort
magnetische monopoleMarco Vernekohl27.01.2014
15:04 Uhr
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