Magnetic monopoles produced by first-order phase transition

In de vroegste momenten van het universum, een fractie van een seconde na de oerknal, waren de fundamentele natuurkrachten waarschijnlijk verenigd in één enkele, krachtige interactie. Terwijl het kosmos uitdijde en afkoelde, onderging deze verenigde kracht een dramatische verschuiving, waarbij zij uiteenviel in de afzonderlijke krachten die we vandaag de dag waarnemen, zoals elektromagnetisme en de sterke kernkracht. Dit proces, bekend als een faseovergang, is vergelijkbaar met hoe water in ijs verandert; naarmate de temperatuur daalt, verandert de structuur van het materiaal abrupt. In de hoogenergetische omgeving van het vroege universum waren deze overgangen niet altijd vloeiend. Soms gebeurde de verandering gewelddadig, waarbij bellen van de nieuwe, stabiele toestand van materie ontstonden die expandeerden en botsten binnen een zee van de oude, instabiele toestand. Wanneer deze bellen tegen elkaar aan botsten, kon de chaotische ontmoeting van hun grenzen het weefsel van de ruimtetijd verscheuren, waardoor permanente littekens achterbleven die bekend staan als topologische defecten. Een van de bekendste typen van deze defecten is de magnetische monopole, een hypothetisch deeltje dat fungeert als een geïsoleerde noord- of zuidpool, in tegen te unlike de magneten die we in het dagelijks leven tegenkomen, die altijd beide polen bezitten.

Decennialang hebben natuurkundigen gedebatteerd over de vraag of deze eeuwenoude defecten vandaag de dag nog steeds kunnen bestaan en welke rol zij in het kosmos zouden kunnen spelen. Als ze in overvloed waren gecreëerd, zouden ze een enorme zwaartekracht hebben, wat potentieel zou kunnen leiden tot een scenario waarin het universum in zichzelf implodeert, een scenario dat bekend staat als het "monopoolprobleem". Als ze daarentegen in kleinere aantallen zouden overleven, zouden ze de onzichtbare substantie kunnen zijn die sterrenstelsels bij elkaar houdt, bekend als donkere materie, of zouden ze de zaden kunnen zijn die de magnetische velden genereerden die het universum doordringen. Om deze vragen te beslechten, heeft een team onderzoekers zich tot krachtige computersimulaties gewend om de geboorte en evolutie van deze deeltjes in realtime te observeren, wat een nieuw perspectief biedt op hun lot en hun vermogen om het universum dat wij zien vorm te geven.

De onderzoekers zetten een specifieke simulatie op van een bepaald type gewelddadige faseovergang, één die plaatsvindt door de snelle nucleatie en botsing van vacuümbellen. Met behulp van een driedimensionaal rooster om een deel van het expanderende universum te representeren, programmeerden ze de natuurwetten om te bepalen hoe deze bellen ontstaan, groeien en tegen elkaar aan botsen. Terwijl de bellen botsten, creëerde het complexe samenspel van hun grenzen de condities die nodig waren voor het verschijnen van magnetische monopolen. Het team volgde de volled zogeheten levenscyclus van deze deeltjes, van hun chaotische geboorte tijdens de bubbelbotsingen tot hun daaropvolgende reis door het expanderende kosmos. Ze observeerden dat, omdat het universum begon zonder netto magnetische lading, deze monopolen altijd in paren werden gecreëerd, waarbij de één een positieve lading droeg en zijn partner een negatieve lading. Eenmaal gevormd, begonnen deze paren elkaar aan te trekken, bewegend over het rooster totdat ze elkaar ontmoetten en annihileerden, waarbij ze verdwenen in een flits van energie.

Een belangrijke uitdaging in deze simulatie was het rekening houden met de expansie van het universum zelf. Terwijl het universum groeit, blijft de fysieke grootte van de monopolen constant, maar het rooster dat wordt gebruikt om hen te simuleren, rekt effectief uit. Deze rek betekende dat de monopolen kleiner zouden kunnen lijken dan de individuele punten van het rooster, wat zou leiden tot het feit dat de simulatie de weg kwijtraakt en onbetrouwbare resultaten produceert. Om dit op te lossen, gebruikten de onderzoekers een slimme techniek waarbij ze de "kern" van de monopole lieten groeien in grootte ten opzichte van het rooster terwijl het universum expandeerde. Deze aanpassing zorgde ervoor dat de deeltjes groot genoeg bleven om nauwkeurig gevolgd te kunnen worden gedurende de simulatie, waardoor het team hun evolutie kon volgen tot het systeem een stabiele toestand bereikte waarin de snelheid van nieuwe botsingen in evenwicht kwam met de snelheid van annihilatie.

De resultaten van deze simulaties gaven een helder beeld van hoeveel monopolen de initiële chaos overleven. Het team stelde vast dat hoewel een hoger aantal initiële bellen leidde tot de creatie van meer monopolen, het aantal overlevenden niet oneindig toenam. In plaats daarvan bereikte de populatie van overlevende paren een verzadigingspunt. Dit gebeurt omdat wanneer er te veel monopolen worden gecreëerd in een kleine ruimte, ze zo dicht op elkaar gepakt zitten dat ze snel partners vinden en elkaar annihileren voordat ze zich kunnen verspreiden. De onderzoekers stelden een nauwkeurige relatie vast tussen het aantal bellen dat het proces startte en het aantal monopole-paren dat aan het einde overbleef, waarmee werd aangetoond dat de uiteindelijke abundantie veel lager is dan eerdere schattingen hadden gesuggereerd.

Naast het tellen van de deeltjes, onderzocht het team de energiesignaturen die deze gebeurtenissen achter zouden laten, specifiek kijkend naar magnetische velden en zwaartekrachtgolven. Zwaartekrachtgolven zijn rimpelingen in de ruimtetijd veroorzaakt door gewelddadige kosmische gebeurtenissen, terwijl magnetische velden onzichtbare krachten zijn die de beweging van geladen deeltjes kunnen beïnvloeden. De simulaties toonden aan dat de magnetische velden gegenereerd door de monopolen een zeer specifieke structuur hebben: ze zijn sterk op de schaal van de monopolen zelf, maar nemen extreem scherp af op grotere afstanden. Nog belangrijker is dat de sterkte van deze velden, wanneer berekend voor de condities van het vroege universum, veel te zwak bleek om de magnetische velden te verklaren die we vandaag de dag in sterrenstelsels waarnemen. Zelfs na rekening te houden met de expansie van het universum en de dissipatie van energie over miljarden jaren, ligt de sterkte van het magnetische veld geproduceerd door deze monopolen ruim onder de minimale niveaus die astronomen detecteren bij het observeren van verre sterrenstelsels. Deze bevinding sluit de mogelijkheid uit dat magnetische monopolen op deze wijze gecreëerd zijn de primaire bron van de kosmische magnetische velden die ons universum vormen.

De onderzoekers keken ook naar de zwaartekrachtgolven die geproduceerd worden door de beweging en annihilatie van deze monopolen. De simulaties toonden aan dat de energie die door deze golven wordt gedragen, ongelooflijk zwak is. Wanneer het signaal wordt aangepast voor de expansie van het universum om te zien hoe het er vandaag de dag uit zou zien, is de amplitude zo klein dat deze ver buiten het bereik van huidige of geplande detectoren ligt. Dit betekent dat zelfs als deze monopolen bestaan, ze onwaarschijnlijk zijn om gedetecteerd te worden via de zwaartekrachtgolven die zij genereren. Verder gebruikte het team hun simulatieresultaten om de massa van deze deeltjes onder verschillende scenario's te berekenen. Als monopolen de donkere materie zouden vormen die het universum vult, zou hun massa onder een bepaalde limiet moeten liggen om te voorkomen dat het universum te snel inklapt. Als ze zichtbare materie zijn, zijn de limieten nog strikter. De berekeningen wijzen uit dat voor monopolen om te kunnen bestaan zonder bekende fysieke beperkingen te schenden, ze relatief licht moeten zijn in vergelijking met de extreme energieën van het vroege universum, en dat de faseovergang die hen creëerde op een temperatuur moet hebben plaatsgevonden die aanzienlijk lager is dan voor dergelijke zware deeltjes voorheen mogelijk werd geacht.

Uiteindelijk biedt dit werk een rigoureus, op simulaties gebaseerd antwoord op een langlopende vraag over de aard van het vroege universum. Door de geboorte en dood van magnetische monopolen in een digitaal universum te observeren, hebben de onderzoekers aangetoond dat hoewel deze deeltjes kunnen worden gecreëerd in gewelddadige faseovergangen, ze onwaarschijnlijk de dominante kracht achter het kosmische magnetisme of de primaire component van donkere materie zijn. De magnetische velden die zij genereren zijn te zwak om de zaden te zijn van de magnetische structuur van het universum, en de zwaartekrachtgolven die zij produceren zijn te zwak om door onze instrumenten te worden gehoord. Deze bevindingen suggereren dat als magnetische monopolen bestaan, ze zeldzaam en ongrijpbaar zijn, en dat de oorsprong van de magnetische velden die we vandaag de dag zien, gezocht moet worden in een andere, nog niet ontdekte mechanisme. De studie sluit een hoofdstuk over een mogelijke verklaring voor kosmisch magnetisme en stuurt toekomstige natuurkundigen op zoek naar de bronnen van de verborgen krachten van het universum.