发表在《物理评论快报》上的一项新研究报告说，一些世界上最强大的粒子加速器已经帮助研究人员从轰击地球大气层的高能宇宙射线的碰撞中得出了关于长期理论磁单极子存在的新的领先限制。

每个人都非常熟悉磁铁，在日常生活中有着广泛的应用，从电视和电脑到儿童玩具。但是，将任何磁铁(例如由北极和南极组成的导航罗盘指针一分为二)将导致仅两个较小的两极磁铁。自 1931 年以来，这个谜团一直困扰着研究人员数十年，当时物理学家保罗·狄拉克 (Paul Dirac) 推测存在单极“磁单极子”——与电子相当但带有磁荷的粒子。

为了探索是否存在磁单极子，包括东京大学卡夫利宇宙物理与数学研究所 (Kavli IPMU) 研究员 Volodymyr Takhistov 在内的一个国际研究小组研究了来自各种地面实验的可用数据，并开展了迄今为止最敏感的搜索范围广泛的可能质量的单极子。研究人员专注于一个不寻常的单极子来源——宇宙射线的大气碰撞已经发生了数万年。

这项跨学科研究需要汇集来自几个不同科学领域的专业知识——包括加速器物理学、中微子相互作用和宇宙射线。

宇宙射线与大气的碰撞已经在推进科学方面发挥了核心作用，尤其是对幽灵中微子的探索。这导致 Kavli IPMU 高级研究员 Takaaki Kajita 通过 Super-Kamiokande 实验发现中微子在飞行中振荡，从而获得 2015 年诺贝尔物理学奖，这意味着它们具有质量。

部分受到 Super-Kamiokande 成果的启发，该团队着手研究单极子。特别有趣的是质量在电弱尺度左右的轻单极子，传统的粒子加速器可以很容易地获得这些光单极子。

通过模拟宇宙射线碰撞，类似于欧洲核子研究中心大型强子对撞机的粒子碰撞，研究人员在不同的陆地实验中获得了持续的光单极子光束。

这种独特的单极子来源特别有趣，因为它独立于任何预先存在的单极子，例如那些可能作为早期宇宙遗迹遗留下来的单极子，并且涵盖了广泛的能量。

通过重新分析来自大量先前实验单极子搜索的数据，研究人员确定了对各种质量的单极子的新限制，包括那些超出常规对撞机单极子搜索范围的限制。

研究人员研究的这些结果和单极子来源将作为解释未来在陆地实验室进行的单极子搜索的有用基准。