Unter magnetischen Monopolen versteht man in der Physik hypothetische Teilchen, die eine magnetische Ladung tragen, also nur entweder einen magnetischen Nord- oder Südpol darstellen. Sie sind somit, analog zu elektrischen Ladungen, Quellen beziehungsweise Senken des magnetischen Feldes. Im Unterschied dazu kennt man bisher nur magnetische Felder, die entweder durch atomare magnetische Momente (Permanentmagnete) oder in Spulen durch bewegte elektrische Ladungen (Ströme) erzeugt werden und sowohl einen Nord- als auch einen Südpol besitzen.

=Theoretische Hinweise=

In der Vergangenheit wurden in unterschiedlichen Bereichen der theoretischen Physik Überlegungen angestellt, die auf die Existenz von magnetischen Monopolen hindeuten.

Maxwell-Gleichungen und Symmetrie

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Symmetrien spielen in der Physik eine fundamentale Rolle. Die im 19. Jahrhundert formulierten Maxwell-Gleichungen, die elektrische und magnetische Phänomene beschreiben, lassen eine unnatürlich wirkende Asymmetrie zwischen dem elektrischen Feld E und der magnetischen Flussdichte B erkennen, die durch die Abwesenheit der magnetischen Ladungdichte $\backslash rho\_m$ und deren Strom $\backslash vec\; J\_m$ verursacht wird:

Die klassischen Maxwellschen Gleichungen im Vakuum in cgs-Einheiten

$\backslash vec\backslash nabla\backslash cdot\backslash vec\; E=4\backslash pi\backslash rho\_e$		$\backslash vec\backslash nabla\backslash cdot\backslash vec\; B=0$
$\backslash vec\backslash nabla\backslash times\backslash vec\; E=-\backslash frac\{1\}\{c\}\backslash frac\{\backslash partial\backslash vec\; B\}\{\backslash partial\; t\}$		$\backslash vec\backslash nabla\backslash times\backslash vec\; B=\backslash frac\{4\backslash pi\}\{c\}\backslash vec\; J\_e+\backslash frac\{1\}\{c\}\backslash frac\{\backslash partial\backslash vec\; E\}\{\backslash partial\; t\}$

Postuliert man nun die Existenz von magnetischen Monopolen, sind die Gleichungen in folgender Weise zu modifizieren:

Die modifizierten Maxwellschen Gleichungen im Vakuum in cgs-Einheiten

$\backslash vec\backslash nabla\backslash cdot\backslash vec\; E=4\backslash pi\backslash rho\_e$		$\backslash vec\backslash nabla\backslash cdot\backslash vec\; B=4\backslash pi\backslash rho\_m$
$\backslash vec\backslash nabla\backslash times\backslash vec\; E=-\backslash frac\{4\backslash pi\}\{c\}\backslash vec\; J\_m-\backslash frac\{1\}\{c\}\backslash frac\{\backslash partial\backslash vec\; B\}\{\backslash partial\; t\}$		$\backslash vec\backslash nabla\backslash times\backslash vec\; B=\backslash frac\{4\backslash pi\}\{c\}\backslash vec\; J\_e+\backslash frac\{1\}\{c\}\backslash frac\{\backslash partial\backslash vec\; E\}\{\backslash partial\; t\}$

Man erhält nun also eine Theorie, die sich als invariant unter folgenden Transformationen darstellt:

$\backslash vec\; E\backslash rightarrow\backslash vec\; B$		$\backslash rho\_e\backslash rightarrow\backslash rho\_m$		$\backslash vec\; J\_e\backslash rightarrow\backslash vec\; J\_m$
$\backslash vec\; B\backslash rightarrow-\backslash vec\; E$		$\backslash rho\_m\backslash rightarrow-\backslash rho\_e$		$\backslash vec\; J\_m\backslash rightarrow-\backslash vec\; J\_e$

Die Anwesenheit von Monopolen würde also die Unterschiede zwischen elektrischem und magnetischem Feld weiter angleichen und wäre von diesem Standpunkt aus gesehen wünschenswert, da es ohnehin möglich ist, durch einen Wechsel des Bezugssystems mittels Lorentz-Transformation, E- und B-Felder (teilweise) ineinander überzuführen.

Die Quantisierung der elektrischen Ladung

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Ein weiterer Hinweis auf die eventuelle Existenz magnetischer Monopole wurde 1931 von Paul Dirac formuliert. So ist es nämlich a priori völlig unverständlich, weshalb elektrische Ladungen immer nur als ganzzahlige Vielfache der Elementarladung auftreten. In der Tat würde das Vorhandensein magnetischer Monopole diesen Umstand auf folgende Art erklären: Untersucht man die Kraftwirkung des Monopols auf ein sich bewegendes Elektron, so stellt sich heraus, dass das Elektron, wenn es den Monopol passiert, auf eine Kreisbahn abgelenkt wird. Die Quantenmechanik fordert jedoch die Quantisierung des Drehimpulses; die mit der Ablenkung einhergehende Änderung des Drehimpulses, die proportional zur elektrischen Ladung ist, kann also nur in bestimmten diskreten Schritten erfolgen. In dieser Weise folgt also aus der Anwesenheit von magnetischen Monopolen direkt die Quantisierung der elektrischen Elementarladung.

Magnetische Monopole als Solitonen

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Der möglicherweise konkreteste Hinweis auf die Existenz magnetischer Monopole ergibt sich aus den sogenannten Theorien der großen Vereinheitlichung (GUT). Diese Theorien beschreiben die Vereinheitlichung der Elektroschwachen Kraft mit der Starken Kraft bei hohen Energien, wie sie bis etwa 10^-36 Sekunden nach dem Urknall in unserem Universum herrschten. Durch die Abkühlung des expandierenden Universums sank die typische Teilchenenergie zu diesem Zeitpunkt unter einen kritischen Wert von ungefähr 10¹⁵ GeV. Dadurch wurde die Symmetriebrechung der vereinheitlichten Kraft in die separaten Kräfte Starke Wechselwirkung und Elektroschwache Wechselwirkung ausgelöst. Dabei traten unter anderem stabile punktförmige topologische Defekte des Eichfeldes, sogenannte Solitonen, auf: Die magnetischen Monopole. Dieser Mechanismus ist in etwa mit den Vorgängen in erstarrenden Flüssigkeiten zu vergleichen. Die Kristallisation startet gleichzeitig an verschiedenen Raumpunkten. Wachsen nun zwei Kristalle zusammen, entstehen an den Kontaktflächen Gitterdefekte. Die Dichte der entstandenen Monopole lässt sich zum Zeitpunkt der Entstehung auf etwa 10⁸² m^-3 abschätzen. Die Tatsache, dass die Teilchendichte heutzutage signifikant niedriger liegt, wird auch als ein weiterer Hinweis auf eine starke inflationäre Phase des frühen Universums gesehen.

=Eigenschaften der Monopole=

Die gegenwärtigen Theorien zeichnen ein konkretes Bild vom Aufbau und den Eigenschaften eines GUT-Monopols. Er besitzt eine Masse von etwa 10¹⁶ GeV und einen Durchmesser von ungefähr 10^-15 m. Darüber hinaus verfügt er über weitere erwähnenswerte Eigenschaften:

Substruktur magnetischer Monopole

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Magnetische Monopole besitzen eine zwiebelähnliche Unterstruktur. In der Nähe des Zentrums, d.h. im Bereich von 10^-31 m liegt ein GUT-symmetrisches Vakuum vor. Daran schließt sich eine Schale der sogenannten elektro-schwachen Vereinigung an mit Teilchen wie den Eichbosonen der schwachen Wechselwirkung W⁺, W^- und Z⁰. Diese Zone geht bei etwa 10^-18 m in die Confinement-Schale über, die mit Gluonen und Photonen angefüllt ist. Die äußerste Schale wird aus Fermion-Antifermion-Paaren gebildet.

Verletzung der Zeitumkehrinvarianz

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Untersucht man die Ablenkung eines geladenen Teilchens in der Umgebung eines Monopols, so stellt man fest, dass eine solche Anordnung die Zeitumkehrinvarianz verletzt. Das bedeutet, der Prozess verläuft bei Umkehrung der Zeitrichtung nicht in der selben Art und Weise ab. Diese Tatsache sprach lange Zeit direkt gegen die Existenz von magnetischen Monopolen. Nachdem jedoch im Jahre 1964 die CP-Verletzung im Zerfall der K-Mesonen nachgewiesen werden konnte, folgt aus dem CPT-Theorem direkt die Existenz T-invarianzverletzender Prozesse

Katalyse des Protonenzerfalls

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Aufgrund der oben genannten inneren Struktur können GUT-Monopole den Protonen- und Neutronenzerfall katalysieren. Dabei werden folgende Reaktionen von den Theorien vorhergesagt:

$M\; +\; p\; \backslash rightarrow\; M\; +\; e^+\; +\; \backslash pi^+\; +\; \backslash pi^-$
$M\; +\; n\; \backslash rightarrow\; M\; +\; e^+\; +\; \backslash pi^0\; +\; \backslash pi^-$

Der Monopol selbst zerfällt bei diesen Reaktionen nicht. Durch diese Zerfallsprozesse ist er also in der Lage, die Stabilität von Materie zu beeinflussen.

=Experimentelle Suche=

Da der magnetische Monopol eine sehr hohe Ruheenergie besitzt – seine Masse ist mit der eines Bakteriums vergleichbar – ist es nicht möglich, ihn in Colliderexperimenten direkt zu erzeugen und nachzuweisen. Deshalb ist man bei der Suche nach Monopolen auf deren natürlich vorhandene Flussdichte angewiesen, die jedoch von den gängigen Theorien als sehr niedrig vorhergesagt wird.

Aufbau typischer Nachweisexperimente

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Ein mögliches Experiment zum Nachweis des hypothetischen Teilchens basiert auf der Verwendung supraleitender Spulen. Beim Durchgang eines Monopols durch eine solche Spule wird durch die Änderung des magnetischen Flusses ein Ringstrom induziert, der nachgewiesen werden kann. Ein solcher Kreisstrom ist tatsächlich nur mittels magnetischer Monopole und nicht etwa durch das Feld eines herkömmlichen Dipolmagneten erzeugbar. Jedoch erfordert die relativ große Störanfälligkeit solcher Experimente eine sorgfältige Versuchsdurchführung.

Weitere Experimente, wie beispielsweise Superkamiokande (das Kamiokande Nachfolgeexperiment), zielen auf den Nachweis des oben beschriebenen durch Monopole induzierten Protonenzerfalls. Hierbei dienen als Protonenträger beispielsweise mehreren tausend Tonnen hochreines Wasser. Die Abschätzung der zu erwartenden Zerfallsrate setzt allerdings die Kenntnis des typischen Wirkungsquerschnitts der Zerfallsreaktion voraus.

Ergebnisse

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Alle bisher zum Nachweis magnetischer Monopole durchgeführten Experimente waren erfolglos. Lediglich ein einziges Ereignis konnte im Februar 1982 in Cabrerra (Stanford University, USA) in einem Spulenexperiment beobachtet werden. Es kann jedoch nicht ausgeschlossen werden, dass es sich hierbei um eine Fehlsignatur handelt. Gegenwärtige Experimente geben deshalb stets Obergrenzen des Teilchenflusses an, die derzeit, abhängig von der verwendeten Methode, etwa im Bereich von 10^-16 s^-1cm^-2sr^-1 liegen. Das bedeutet umgerechnet, dass eine Fläche von 1 m² im Durchschnitt höchstens alle 30000 Jahre von einem Monopol durchquert wird.

Magnetismus | Elektrodynamik

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