Dirac mostró que la existencia de un monopolo magnético permite explicar la cuantización de la carga eléctrica; su carga magnética tendría unidades de Dirac g_D = 2πℏ/e. Las teorías de gran unificación (GUT) predicen la existencia de monopolos magnéticos con una carga magnética mínima, que sería de N g_D para una simetría SU(N). Los límites de exclusión experimentales para la masa del monopolo se limitan a N < 10 (MoEDAL, 2023), pero hay límites astrofísicos basados en estrellas de neutrones que alcanzan N < 50. Se publica en Physical Review Letters un nuevo límite de exclusión para N < 45 y masas hasta ∼ 80 GeV/c² al 95 % de nivel de confianza, obtenido por un método muy ingenioso. En 2011 se recubrió el tubo de haces del LHC en el punto de colisión 5, donde se encuentra CMS, con un material capaz de atrapar monopolos magnéticos durante las colisiones ultraperiféricas de iones de plomo (núcleos de plomo 208, Pb⁸²⁺). Se retiró en 2013 y fue analizado con magnetómetros SQUID por la colaboración MoEDAL (cuyo experimento está situado en el punto de colisión 8, donde se encuentra LHCb). No se ha encontrado ningún monopolo. Pero se ha logrado el mejor límite de exclusión para 2 < N < 45 tras analizar 184.07 μ⁢b⁻¹ colisiones Pb-Pb a 2.76 TeV c.m. en diciembre de 2011 durante el LHC Run 1. Sin lugar a dudas, un curioso resultado del LHC que usa colisiones de 2011 y se publica en 2024. Por cierto, nadie espera que los monopolos GUT tengan masas en la escala TeV, así que el resultado no sorprenderá a los físicos teóricos.

Como no se ha observado nada, el nuevo límite de exclusión se basa en un análisis teórico (muy sencillo) del experimento en cuestión. Se basa en el efecto Schwinger, la generación de pares partícula-antipartícula en el vacío electromagnético en presencia de un campo magnético (o eléctirico) intenso, resultado del efecto túnel cuántico. En las colisiones de iones pesados en el LHC se producen intensos campos magnéticos que, por efecto Schwinger, pueden dar lugar a pares monopolo-antimonopolo magnético. La sección (probabilidad) de producción depende de la intensidad del campo magnético. En las colisiones de iones pesados, el campo magnético alcanza su valor máximo cuando el parámetro de impacto es grande, es decir, en las colisiones ultraperiféricas, cuando los centros de los iones están separados por (casi) el doble del radio del núcleo. Como la electrodinámica cuántica se conoce muy bien, se puede obtener un modelo teórico sencillo de este experimento. Como es de esperar, el mayor error sistemático es debido al campo magnético máximo, que debe ser estimado. En los colisiones Pb-Pb a 2.76 TeV c.m. se estima un B_max = 4.0 ± 0.2 GeV² (en unidades naturales ℏ=c=1, un valor del orden de 2 × 10¹⁶ teslas, si no he calculado mal para 1 G ≈ 0.02 eV²).

Un resultado curioso e inesperado de la cooperación entre CMS y MoEDAL, aunque con poca relevancia en física fundamental (los monopolos en las teorías GUT se espera que tengan masas del orden de 10¹⁶ GeV). El artículo es B. Acharya, J. Alexandre, …, O. Vives, «MoEDAL Search in the CMS Beam Pipe for Magnetic Monopoles Produced via the Schwinger Effect,» Physical Review Letters 133: 071803 (15 Aug 2024), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.071803, arXiv:2402.15682 [nucl-ex] (24 Feb 2024).