Timing-Based Search for Magnetic Monopoles with the NOvA Detector on the Surface

De Onzichtbare Geestjagers van Ash River

Stel je voor dat het universum een bruisende, chaotische stad is, die constant wordt gebombardeerd door een onzichtbare regen van minuscule, hoogsnelheidsdeeltjes. Het grootste deel van deze "regen" bestaat uit bekend materiaal zoals protonen en elektronen, maar natuurkundigen vermoeden al lang dat er ook een zeer zeldzaam, zeer zwaar en zeer vreemd type deeltje op ons neer regent: de magnetische monopole. Denk aan een gewone magneet als een paar tweelingen die onafscheidelijk zijn; als je een magneet doormidden snijdt, krijg je niet een stuk met alleen een Noordpool en een stuk met alleen een Zuidpool. Je krijgt gewoon twee kleinere magneten, elk met zowel een Noord- als een Zuidpool. Een magnetische monopole zou echter de ultieme rebel zijn: een enkel deeltje dat alleen een Noordpool of alleen een Zuidpool is.

Decennialang hebben wetenschappers gezocht naar deze magnetische eenlingen. Ze worden voorspeld door enkele van onze grootste theorieën over hoe het universum werkt, maar ondanks het feit dat ze overal hebben gezocht, van diepe ondergrondse mijnen tot de toppen van bergen, heeft nog nooit iemand een overtuigende gevonden. De grote vraag is: bestaan ze wel? Zo ja, hoe zwaar zijn ze, en hoe snel bewegen ze? Het vinden van één zou vergelijkbaar zijn met het ontdekken van een nieuwe kleur of een nieuwe natuurwet; het zou ons begrip van het kosmos herschrijven. Maar als ze te zwaar of te traag zijn, kunnen ze door de atmosfeer van de aarde worden tegengehouden voordat ze ooit onze detectoren bereiken, wat het vangen ervan ongelooflijk moeilijk maakt.

De Grote Monopole-veeg

In dit artikel besloot een enorm team van wetenschappers, bekend als de NOvA-collaboratie, om een andere invalshoek te proberen. In plaats van zich diep ondergronds te verstoppen waar ze veilig zijn voor de luidruchtige "regen" van kosmische straling, keken ze naar een gigantische detector die direct op het oppervlak van de aarde in Ash River, Minnesota staat. Deze detector, de NOvA Far Detector genoemd, is een 14.000 ton zware doos gevuld met duizenden plastic buizen die gepakt zijn met een speciale vloeistof die licht geeft wanneer deeltjes er doorheen jagen. Hij werd oorspronkelijk gebouwd om neutrino's te bestuderen ( spookachtige deeltjes die door alles heen gaan), maar het team realiseerde zich dat het ook een perfecte val kan zijn voor langzaam bewegende magnetische monopolen.

De wetenschappers behandelden de detector als een gigantische, hogesnelheidscamera die wacht om een foto te maken van een langzaam bewegende geest. Ze wisten dat als een zware magnetische monopole door de detector zou drijven, hij niet zou bewegen als een kogel. In plaats daarvan zou hij heel langzaam bewegen—zo langzaam dat het een lange tijd zou duren om de kamer te doorkruisen. Omdat hij zo zwaar en geladen is, zou hij een zeer specifieke, rechte, lichtgevende spoor achterlaten terwijl hij door de vloeistof passeert, in tegen tegenstelling tot de rommelige, chaotische sporen die door de miljarden gewone kosmische stralen die voortdurend het oppervlak bombarderen, worden achtergelaten.

Om deze langzame geesten te vinden, ontwikkelde het team een slim "trigger"-systeem. Stel je voor dat je probeert een langzame schildpad te spotten die een drukke snelweg oversteekt, terwijl je de duizenden rijdende auto's negeert. Het computersysteem van NOvA zocht naar paren lichtgevende signalen die heel dicht bij elkaar in tijd en ruimte plaatsvonden en een rechte lijn vormden. Als de signalen te snel waren, was het een gewone kosmische straal. Maar als de signalen net op de juiste manier verspreid waren om een langzame, gestage mars te suggereren, sloeg de computer de gegevens op voor een nadere blik. Ze voerden deze zoektocht gedurende een enorme hoeveelheid tijd uit—2.743 dagen, oftewel ongeveer 7,5 jaar—waarbij ze miljarden gebeurtenissen scanten.

Het Verdict: Geen Geesten Gevonden, Maar een Nieuwe Kaart Getekend

Na het doorzoeken van al die gegevens was de uitslag duidelijk: geen magnetische monopolen gevonden. Niet één gebeurtenis kwam overeen met de beschrijving van een langzaam bewegende monopole. Hoewel dit misschien als een teleurstelling klinkt, is een "nulresultaat" in de wetenschap eigenlijk een grote overwinning, omdat het ons vertelt waar we niet moeten zoeken.

Het team gebruikte dit gebrek aan waarnemingen om een zeer strikte regel vast te stellen: als monopolen bestaan, moeten ze zeldzamer zijn dan een specifiek aantal. Ze berekenden dat de stroom van deze deeltjes door de hemel minder is dan 8 × 10⁻¹⁶ cm⁻²s⁻¹sr⁻¹ voor monopolen die bewegen met snelheden tussen 6 × 10⁻⁴ en 5 × 10⁻³ keer de snelheid van het licht, mits ze zwaarder zijn dan 10⁹ GeV. Om dat in perspectief te plaatsen: dit is een ongelooflijk klein getal, wat betekent dat als deze deeltjes bestaan, ze zo zeldzaam zijn dat je misschien heel lang moet wachten om er slechts één te zien.

Wat deze ontdekking bijzonder maakt, is het "low-mass" gebied dat zij verkenden. Eerdere ondergrondse experimenten waren goed in het vinden van superzware, superlangzame monopolen, maar ze waren te diep om lichtere monopolen te vangen die mogelijk door de atmosfeer van de aarde worden tegengehouden. Omdat de NOvA-detector aan het oppervlak staat, kon hij deze lichtere, iets snellere (maar nog steeds zeer langzame) kandidaten spotten die andere detectoren hadden gemist. Ze hebben effectief een nieuwe grens getrokken op de kaart van het universum, zeggend: "Wij zijn voor 90% zeker dat monopolen in dit specifieke snelheid- en gewichtsbereik niet in de hoeveelheden bestaan die we hadden gehoopt."

Het artikel legt ook uit dat ze miljoenen nep-monopoolgebeurtenissen hebben gesimuleerd om er zeker van te zijn dat hun detector hen zou hebben gezien als ze er waren geweest. Ze vonden dat hun systeem ongeveer 81% efficiënt was in het vangen van deze langzame sporen. Omdat ze nul echte kandidaten zagen, kunnen ze met vertrouwen zeggen dat het universum veel leger is van dit specifieke type magnetische eenlingen dan sommige theorieën hadden gehoopt. De zoektocht gaat door, en de NOvA-detector blijft de hemel in de gaten houden, klaar om de volgende geest te vangen als deze besluit te verschijnen.