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A la recherche des monopôles magnétiques sous les pôles...

S’ils existent, les monopôles magnétiques sont les équivalents des charges électriques pour des champs magnétiques. Prédits depuis presque 40 ans dans le cadre des théories de Grande Unification, ils sont aujourd'hui chassés dans des laves provenant du manteau sous les pôles, où ils se seraient peut-être accumulés depuis la formation de la Terre.

Paul Dirac était un génie. Il fut l'un des fondateurs de la théorie quantique et a découvert l'existence de l'antimatière en combinant les lois de la relativité restreinte à celles de la mécanique quantique. Sa seconde prédiction, celle de l'existence des monopôles magnétiques, attend toujours d'être vérifiée. © The Nobel Foundation Paul Dirac était un génie. Il fut l'un des fondateurs de la théorie quantique et a découvert l'existence de l'antimatière en combinant les lois de la relativité restreinte à celles de la mécanique quantique. Sa seconde prédiction, celle de l'existence des monopôles magnétiques, attend toujours d'être vérifiée. © The Nobel Foundation

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Tout le monde peut constater qu’il n’est pas possible de séparer les pôles nord et sud d’un aimant afin d'obtenir des charges magnétiques élémentaires isolées d’un seul signe, alors que c’est le cas pour les électrons ou les protons. Dit autrement, alors que des monopôles électriques de charges opposées existent, il ne semble exister que des dipôles magnétiques.

Or, les équations de Maxwell décrivant le champ électromagnétique couplé à des charges électriques dans le formalisme adapté à l’existence de l’espace-temps se rassemblent en deux groupes, presque identiques. Cette dualité reflète parfaitement le fait qu’un champ électrique pour un observateur est un champ magnétique pour un autre, et inversement. Ces deux groupes d’équations deviennent encore plus symétriques et élégants si l’on introduit en plus des courants de charges électriques dans l’espace-temps des courants de charges magnétiques, donc des monopôles magnétiques.

De l'antimatière aux monopôles magnétiques

En se basant sur cette constatation, Paul Dirac est allé plus loin en 1931, peu de temps après avoir découvert, sur le plan théorique, l’existence de l’antimatière. En effet, toujours en cherchant à combiner les lois de la mécanique quantique à celles de la relativité, il a découvert que la théorie quantique autorisait l’existence de monopôles magnétiques si le produit de la charge électrique élémentaire et d’une charge magnétique élémentaire était égal à un multiple entier de la constante de Planck.

Dans ce cadre, des monopôles magnétiques sont possibles et, de plus, ils expliquent l’origine de la quantification de la charge. Toutefois, la théorie de Dirac restait muette sur la valeur des masses d’un électron, d’un proton ou d’un hypothétique monopôle magnétique.

Le prix Nobel de physique Julian Schwinger a été l'un des premiers à prolonger la théorie des monopôles de Dirac avec sa théorie des dyons. Elle fut reprise par Edward Witten. © National University of Singapore
Le prix Nobel de physique Julian Schwinger a été l'un des premiers à prolonger la théorie des monopôles de Dirac avec sa théorie des dyons. Elle fut reprise par Edward Witten. © National University of Singapore

L’intérêt théorique et les recherches expérimentales concernant les monopôles magnétiques ont certainement été ravivés à partir de 1969, et surtout de 1974. Il y eut tout d’abord la proposition du prix Nobel de physique Julius Schwinger concernant les quarks de Gell-Mann. Pour lui, l’impossibilité à obtenir des quarks isolés dans des collisions en accélérateurs pouvait peut-être provenir du fait que les quarks étaient des dyons, c'est-à-dire des particules chargées électriquement et magnétiquement. Une charge magnétique dans le cadre de la théorie de Dirac devait en effet conduire à l’existence de forces magnétiques intenses collant des dyons entre eux.

Des dyons de Schwinger aux monopôles de 't Hooft-Polyakov

La proposition de Schwinger, en 1969, s’est révélée fausse, mais en 1974, Gerard ‘t Hooft et Alexander Polyakov ont indépendamment découvert que les théories de Grande Unification, les Gut, prédisaient l’existence de nouveaux monopôles très massifs. Bien trop lourds pour être produits en accélérateur, ces monopôles pouvaient toutefois exister à l’état de reliques des phases très primitives de l’univers, quand les énergies des autres particules étaient suffisamment élevées pour en créer. On pouvait donc partir à leur chasse dans les rayons cosmiques, ou même dans les météorites et les roches lunaires, dans lesquelles ces particules pouvaient se retrouver piégées et naturellement conservées, bien plus facilement que dans les roches de la croûte terrestre.

Le prix Nobel de physique Gerard 't Hooft a découvert que des monopôles magnétiques très massifs étaient prédits par les théories tentant d'unifier les équations de la chromodynamique quantique avec celle du modèle électrofaible. Indépendamment, le physicien russe Alexander Polyakov devait aboutir à la même conclusion. © Wammes Waggel, Wikipédia
Le prix Nobel de physique Gerard 't Hooft a découvert que des monopôles magnétiques très massifs étaient prédits par les théories tentant d'unifier les équations de la chromodynamique quantique avec celle du modèle électrofaible. Indépendamment, le physicien russe Alexander Polyakov devait aboutir à la même conclusion. © Wammes Waggel, Wikipédia

Des recherches pour les trouver ont rapidement été entreprises, mais toujours sans résultat, ce qui n’est probablement pas étonnant. En effet, les Gut prédisent de prime abord que la densité de ces particules doit être bien supérieure à celle de la matière normale du cosmos. Ce n'est évidemment pas le cas. Il a été nécessaire de faire appel à la théorie de l’inflation pour les diluer et éviter ainsi un conflit avec les observations. Malheureusement, cette dilution a probablement été tellement forte que les chances d’en observer autour de nous sont très faibles.

Des monopôles magnétiques collés aux noyaux de minéraux

En raison des incertitudes subsistant sur la masse d’éventuelles monopôles magnétiques, et leur abondance dans l’univers, les recherches n’ont pas été arrêtées pour autant, comme le prouve un article récemment publié sur arxiv. Une équipe internationale de chercheurs a utilisé, comme certains de leurs prédécesseurs, un Squid pour détecter la présence de monopôles collés magnétiquement au noyau de certaines roches terrestres. Ces roches ne sont pas n’importe lesquelles, ce sont des laves récoltées en Antarctique et en Arctique.

Selon les chercheurs, lors de la formation de la Terre, les monopôles magnétiques associés avec des noyaux d’atomes auraient eu tendance à chuter vers le centre de la Terre pour s’accumuler dans ses profondeurs (alors que la croûte doit en être appauvrie).

L’idée en soi n’est pas nouvelle, puisque l’on a même proposé, voilà longtemps, que la source d’énergie assurant le fonctionnement de la géodynamo de notre planète pouvait provenir de l’annihilation de paires de monopôle-antimonopôle magnétiques lors des inversions magnétiques. On sait maintenant que ça n'est pas le cas.

Les monopôles du manteau demeurent introuvables

Toutefois, du fait de la convection du manteau et du champ magnétique de la Terre, on pouvait s’attendre à ce que des zones du manteau sous les pôles magnétiques soient naturellement enrichies en monopôles si leurs masses étaient comprises entre 103 et 1013 GeV (rappelons qu’un proton a une masse d’environ 1 GeV). Des remontées de magma le long de l’axe magnétique de la Terre, associées par exemple à des points chauds, peuvent donc conduire à ce que des laves plus riches en monopôles magnétiques qu’à d’autres endroits du globe s’épanchent aux pôles.

De nouveau, les résultats ont été négatifs. Cela ne signifie pas que les monopôles magnétiques n’existent pas, mais que l’on a réussi à poser de nouvelles bornes quant à leurs caractéristiques. On pourrait aussi avoir des surprises avec d’autres corps célestes, comme les comètes.


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