Monopolos magnéticos

¿Quién no se ha quedado fascinado al ver un imán por primera vez? Un material que puede mover otro sin contacto físico. Seguramente el primer contacto con el magnetismo. En la escuela ya aprendemos sobre los imanes, un imán está formado por un polo norte y polo sur. Sabemos además que no se pueden disociar. Cuando, por error, hemos roto alguno lo que conseguimos son dos pequeños imanes con sus polos sur y norte. Entonces ¿a qué nos referimos con eso de un monopolo magnético?

La teoría electromagnética unifica electricidad y magnetismo. Las fórmulas que rigen el campo eléctrico también se utilizan de forma similar para el magnetismo. Se puede obtener con un set de fórmulas, intercambiando las cantidad eléctricas por las magnéticas, el otro set de fórmulas. Bueno, esto sería verdad salvo por el hecho de que tenemos cargas positivas y cargas negativas, pero los polos magnéticos siempre aparecen en pares norte-sur, no existen los polos individualmente, los monopolos.

Las partículas elementales tienen carga eléctrica (positiva o negativa) pero no tienen carga magnética. En realidad el magnetismo cotidiano no tiene nada que ver con estas unidades de carga magnética, los campos magnéticos son producidos por cargas en movimiento (Ley de Ampere) o como vimos, algunas partículas como el electrón poseen un momento magnético intrínseco, el espín. Pero el espín es un momento magnético es dipolar (con los dos polos).

Entonces, ¿por qué estamos interesados en los monopolos si no existen? En 1931 estudiando la cuantización del electromagnetismo, Paul Dirac descubrió algo que otorgo importancia a los monopolos. Vio que teoría cuántica simétrica para la electricidad y el magnetismo, esto es que el magnetismo también tuviera su ‘carga magnética’ o monopolo, tenía como resultado que la carga eléctrica estaba cuantizada. De forma natural aparecía que la carga solo podría aparecer en múltiplos de una carga fundamental, como sabemos que ocurre en la naturaleza (ver esta entrada sobre la carga del electrón). Estas partículas hipotéticas de masa desconocida actuarían como solo polo norte o sur. Demostró que con solo que existiera un monopolo en el universo sería suficiente para que la carga estuviera cuantizada.

Esto seguramente habría quedado como un dato curioso, una teoría más, que aunque bonita formalmente no tendría ningún sentido. Pero lo que sucede es que en la actualidad es un elemento necesario para mayoría de las extensiones del Modelo Estándar: teorías de gran unificación GUT, teorías de cuerdas o la misma Supersimetría. Pero pesar de predecir su existencia ninguna de estas teorías predice su masa. Esto hace que el rango de posibles valores de la masa del monopolo sea ENORME. Su masa podría ser desde unas 10 veces la masa del Bosón de Higgs hasta unos 1000 billones (10¹⁵) de veces mayor.

Los límites inferiores provienen de las medidas realizadas en los experimentos realizados hasta el momento (ver entrada en francisthemulenews). ¿Pero como se puede buscar estás partículas? Los experimentos del CERN están buscando este tipo de partículas, en particular el experimento MoEDAL busca partículas muy ionizantes producidas en las colisiones y que dejarían trazas en láminas de plástico localizadas cerca del detector LHCb. El experimento ATLAS por su lado busca colisiones que tengan unas características propias de un monopolo magnético. Pero estas búsquedas cubren muy poco del amplio espectro posible de masas de un hipotético monopolo magnético.

¿Cómo se puede llegar más allá del rango que alcanza LHC? Si los monopolos existen, se habrían creado poco después del Big Bang. Algunos de ellos se habrían quedado ‘pegados’ a átomos que poseyeran momento magnético y por lo tanto podrían formar parte del material que forma la materia visible. Estos monopolos podrían estar en meteoritos, en la luna o en rocas de la tierra. En particular, en la tierra, las rocas magmáticas serían buenos candidatos para albergar monopolos. Siendo estos muy pesados los átomos a los que estarían pegados habrían sido atraídos con mayor intensidad hacia el centro de la tierra en la formación de esta quedando encerrados en el interior del manto terrestre. Las rocas de origen volcánico tendrían mayor concentración de monopolos en su interior. Pero del mismo modo que no hay una predicción teórica para su masa tampoco se conoce cuantos monopolos se habrían creado y existen en el universo actual. Sabemos que solo uno sería suficiente para explicar la cuantización de la carga, pero si existe solo uno las probabilidades de que se encuentre son remotas sino nulas.

Por el momento no hay señales de monopolos. En las revistas científicas aparecen de vez en cuando artículos hablando de la creación o descubrimiento de monopolos, pero estos no son realmente las partículas de las que hablábamos antes, son quasi-particles, estados que se forman en la materia. El último de estos anuncios fue a finales de mayo de este año, pero para el descubrimiento de un monopolo partícula tendremos que esperar un poco más.