在《生活大爆炸》里，謝耳朵為了他的弦理論研究,，曾和他的三位小伙伴一同前往磁北極尋找磁單極子,。謝耳朵還一度以為已經(jīng)證明了磁單極子的存在，相信自己會(huì)因此拿到諾貝爾獎(jiǎng),。

圖片來(lái)源：《生活大爆炸》劇照

雖然謝耳朵的磁單極子最后被證明是烏龍,，但在科學(xué)界，確實(shí)有無(wú)數(shù)科學(xué)家正在追尋這種神奇的假想粒子,。

不少物理理論都預(yù)言了這種獨(dú)特的粒子的存在,，但它至今仍然沒(méi)有現(xiàn)身。

  磁單極子  

磁鐵在我們的生活中隨處可見,。無(wú)論是在你的冰箱上,，還是你的智能手機(jī)里,，或是你的信用卡中,，所有磁鐵都有一個(gè)共同點(diǎn),，它們一定有一個(gè)南極加一個(gè)北極。

即使你把一塊磁鐵從中一切為二,，無(wú)論重復(fù)多少次,，切得多小，得到的都只會(huì)是分別有各自南北極的新的磁鐵,。這種現(xiàn)象反映在了麥克斯韋的方程中,，它表明了宇宙中存在孤立的正負(fù)電荷，但卻并不存在孤立的磁荷,。

上個(gè)世紀(jì),，量子力學(xué)的發(fā)展為故事帶來(lái)了新篇章。1931年,，狄拉克預(yù)言了宇宙中應(yīng)當(dāng)存在這樣一種只有單個(gè)磁極的假想基本粒子,，也就是我們現(xiàn)在常說(shuō)的磁單極子。

我們見過(guò)的所有磁鐵都有一個(gè)南極和一個(gè)北極,。但磁單極子只有一個(gè)磁極,。| 圖片來(lái)源：Dominguez, Daniel/CERN

許多（甚至可能大部分）物理學(xué)家都相信磁單極子的存在。物理學(xué)家已經(jīng)知道,，電和磁在本質(zhì)上是一種力,，如果正負(fù)電荷可以單獨(dú)存在，就像只帶負(fù)電荷的電子那樣,，那么只帶一個(gè)磁極的粒子理應(yīng)存在,。

理論上來(lái)說(shuō)，磁單極子應(yīng)該產(chǎn)生于早期宇宙中,，而且它們是穩(wěn)定的,，因此應(yīng)該有一個(gè)大爆炸后遺留下的磁單極子的遺跡通量，仍然滲透在所有空間中,。

但問(wèn)題的關(guān)鍵是,，直到今天，它們從未被探測(cè)到,。

  在冰天雪地中尋找  

在尋找磁單極子的歷程中,，坐落在南極的一臺(tái)巨大的中微子探測(cè)器也許能夠幫助我們。

冰立方中微子天文臺(tái)是一臺(tái)“奇怪”的望遠(yuǎn)鏡,。它由埋在南極一立方千米冰層中的5000多個(gè)光傳感器組成,，它最初的目標(biāo)是研究一種彌漫在宇宙中的輕量級(jí)基本粒子，也就是中微子,。

南極冰立方天文臺(tái),。| 圖片來(lái)源：IceCube Neutrino

中微子難以捉摸，研究它們的幾乎唯一方法是通過(guò)分析中微子與物質(zhì)罕見的相互作用的產(chǎn)物,，這就好像根據(jù)動(dòng)物在雪地上留下的腳印來(lái)研究它們一樣,。

如果一個(gè)中微子與冰立方周圍冰層中的一個(gè)原子相撞,，它可以產(chǎn)生一個(gè)被稱為μ子的帶電粒子。當(dāng)一個(gè)μ子以足夠快的速度穿過(guò)冰層時(shí),，就會(huì)沿著它的路徑產(chǎn)生錐形的藍(lán)色輻射,，被稱為切連科夫光。這種光能穿過(guò)冰層,，并在途中觸發(fā)冰立方的傳感器,，從而告訴科學(xué)家粒子的能量和方向。

有趣的是,，不僅是中微子,，如果磁單極子的確存在，以接近光速飛行的它們?cè)谕ㄟ^(guò)冰立方探測(cè)器時(shí)也會(huì)發(fā)出切連科夫光,。但有一點(diǎn)使它們與眾不同,，它們異常明亮。磁性單極子發(fā)出的切連科夫光大約是μ子的8000倍,，而且這些光的發(fā)射會(huì)沿著它們的軌跡均勻分布,。這就會(huì)讓冰立方中出現(xiàn)一種獨(dú)特而明顯的特征圖案。

磁單極子應(yīng)該在南極冰立方中留下一種非常明顯的痕跡,。藍(lán)色代表冰立方探測(cè)器,，虛線表示了粒子的軌跡。軌跡周圍的有色區(qū)域代表了不同類型的粒子所發(fā)出的切連科夫光模式,。顏色從紅色到綠色表示光從先到后的產(chǎn)生時(shí)間,。| 圖片來(lái)源：Alexander Burgman, IceCube Collaboration

正因如此，冰立方的科學(xué)家決定在8年間的冰立方數(shù)據(jù)中尋找磁單極子的跡象,。他們首先篩選出了格外明亮的事件,，并尋找沿著路徑的均勻發(fā)射。由于磁單極子可以完全貫穿探測(cè)器,，他們要排除那些非貫穿性的軌跡,。接著，研究人員訓(xùn)練了一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)的事件描述工具（提升決策樹）,，來(lái)區(qū)分樣本中的磁單極子事件和μ子事件,。

近期，團(tuán)隊(duì)發(fā)布了這項(xiàng)搜索的結(jié)果,。不幸的是,，科學(xué)家沒(méi)能找到任何宇宙磁單極子的特征。

  在對(duì)撞機(jī)中尋找  

除了捕捉宇宙中的磁單極子,，科學(xué)家也正努力在實(shí)驗(yàn)室中“創(chuàng)造”出這種粒子,。

曾在希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)中立下功勞的LHC（大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)）的一類新實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)造了更有可能產(chǎn)生磁單極子的條件，讓研究人員能提煉磁單極子可能的性質(zhì),。

LHC最常見的是在極高的能量下將質(zhì)子粉碎,。但在2018年，LHC粉碎了一種不同的粒子,，也就是重離子，具體來(lái)說(shuō)是鉛核,。這些粒子包含數(shù)百個(gè)質(zhì)子和中子,，這種重的特點(diǎn)意味著它們只能在比單質(zhì)子對(duì)撞更低的能量下進(jìn)行對(duì)撞。

然而,，如果這些鉛核意外地斜撞或非常接近地擦肩而過(guò),，它們的相互作用可以產(chǎn)生一些壯觀的東西，那將是宇宙中已知的最強(qiáng)磁場(chǎng)之一,，比在中子星中發(fā)現(xiàn)的磁場(chǎng)還要強(qiáng)一百萬(wàn)倍,。這些磁場(chǎng)只能持續(xù)極短的時(shí)間，但它們的存在為產(chǎn)生磁單極子提供了一種不同的機(jī)制,。

通過(guò)將重離子對(duì)撞,，試圖產(chǎn)生磁單極子。| 圖片來(lái)源：James Pinfold, MoEDAL Collaboration

這一理論遵循的是一種能產(chǎn)生“電版本”的單極子的機(jī)制,。1930年代提出的施溫格機(jī)制認(rèn)為,，強(qiáng)電場(chǎng)將與真空中的量子漲落相互作用，產(chǎn)生正和負(fù)的“電單極子”（電子和正電子）,。類似的,，科學(xué)家推測(cè)，一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)應(yīng)該會(huì)帶來(lái)南與北的磁單極子,。

在質(zhì)子對(duì)撞中,，粒子產(chǎn)生于一次激烈的對(duì)撞，而與之不同的是,，在施溫格機(jī)制中,，粒子產(chǎn)生于大量的小的相互作用。研究人員可以從理論上描述這些作用,。

重要的是,，這讓研究人員可以預(yù)測(cè)這種機(jī)制會(huì)產(chǎn)生多少個(gè)單極子。這種預(yù)測(cè)取決于磁單極子有多重,。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),，如果它們過(guò)重，那么LHC的鉛核就沒(méi)有足夠的能量制造出它們,。

在2018年的實(shí)驗(yàn)中,，研究人員就發(fā)現(xiàn)了這種情況，他們沒(méi)能產(chǎn)生磁單極子。

對(duì)科學(xué)來(lái)說(shuō),，即使是負(fù)面結(jié)果也有其正面而積極的意義,。它們?nèi)匀荒茏屛覀兲剿髯匀坏谋举|(zhì)。這些實(shí)驗(yàn)同時(shí)證明了,，如果磁單極子的確存在,，它們的重量一定超過(guò)了一個(gè)特定的極限（75 GeV/c2）。新的結(jié)果發(fā)表于近期的《自然》雜志上,。

  失蹤之謎  

磁單極子的失蹤之謎仍然沒(méi)有揭開,，但許多物理學(xué)家仍然相信，這并不意味著磁單極子就不存在,。在我們目前“最喜歡”的早期宇宙模型中,，磁單極子是一種“打包票”的粒子。

如果最終證明它們真的不存在,，我們就必須重新思考我們當(dāng)前世界模型的最基本假設(shè),。