Une vue des bâtiments de surface du détecteur géant de neutrinos IceCube en Antarctique. La pureté de la glace à plus d’un kilomètre de profondeur permet à plus de 5.000 photomultiplicateurs d'enregistrer avec précision les flashs bleutés très ténus générés par les muons issus de la collision des neutrinos avec les noyaux atomiques dans la glace. La construction d'IceCube a commencé en 2005, mais le détecteur est une version plus grande d'Amanda, qui date du début des années 1990. IceCube ne permet pas seulement d'explorer la physique des neutrinos mais aussi celle des monopôles magnétiques. © Felipe Pedreros, IceCube, NSF
Sciences

Du nouveau sur l'existence des mythiques monopôles magnétiques

ActualitéClassé sous :Physique , Astronomie , physique des particules

[EN VIDÉO] Les 20 ans de Futura avec Françoise Combes  2021 c'est l'année des 20 ans de Futura ! À cette grande occasion, nous avons demandé à nos parrains de s'exprimer sur le sujet... Françoise Combes s'est notamment prêtée à l'exercice et nous livre son analyse d'astrophysicienne sur le passé, mais aussi sur les 20 prochaines années. 

S'ils existent, les monopôles magnétiques sont les équivalents des charges électriques mais pour des champs magnétiques, donc des charges magnétiques élémentaires. Plusieurs variantes théoriques sont connues et les physiciens les chassent de diverses manières, au Cern ou dans les rayons cosmiques notamment.

Il y a presque 40 ans, le physicien Blas Cabrera faisait savoir qu'il pensait avoir détecté un monopôle magnétique dans une expérience. La nouvelle avait eu un certain retentissement car si d'autres détections similaires se produisaient rapidement par la suite, une percée majeure dans le domaine de la physique fondamentale et de la cosmologie primordiale en découlait. Enfin, mais c'est encore plus spéculatif, certains physiciens ont avancé que ces particules seraient la clé du voyage interstellaire à une fraction notable de la vitesse de la lumière.

Futura avait déjà expliqué dans le précédent article ci-dessous ce qu'était un monopôle magnétique, un équivalent d'une charge électrique élémentaire théorisé par le prix Nobel de physique Paul Dirac. La chasse à ce type de particules avait même commencé dès les années 1960 et un autre prix Nobel de physique, Luis Alvarez, avait tenté d'en découvrir dès le début des années 1970 dans des échantillons de roches lunaires des missions Apollo.

Le porte-parole de l'expérience MoEDAL, Jim Pinfold, explique les monopôles magnétiques et le travail de l'expérience MoEDAL au Cern destinée à les chasser avec des collisions de protons. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Cern

Des particules très massives peut-être produites pendant le Big Bang

Le sujet était devenu de plus en plus brûlant au cours de ces années-là et au début des années 1980 quand plusieurs autres chercheurs, dont le prix Nobel de physique Gerad ‘t Hooft, ont compris que dans les théories unifiant les forces électromagnétiques et nucléaires découvertes ces années-là, des analogues de monopôles de Dirac devaient exister si l'on supposait l'existence de champs de bosons de Brout-Englert-Higgs supplémentaires. La théorie unifiée électrofaible gagnait de plus en plus en crédibilité pendant cette période et elle postulait l'existence d'un champ de bosons BEH.

Mais ces monopoles devaient être fantastiquement lourds, très probablement 1016 fois plus qu'un proton donc impossible à produire en accélérateur de particules sur Terre (rappelons que le LHC ne peut produire au mieux dans ces collisions que des particules environ 13.000 fois plus lourdes qu'un proton). Toutefois, les physiciens Tom W. B. Kibble puis Wojciech H. Zurek avaient également découvert qu'aux hautes températures du tout début du Big Bang, les énergies étaient suffisamment élevées pour produire massivement ces monopôles. Très probablement stables, on pouvait espérer en détecter dans le rayonnement cosmique.

Ce ne fut jamais le cas et le développement de la théorie de l'inflation a laissé penser qu'en fait, si ces monopôles avaient été produits, la phase inflationnaire de l'expansion de l'espace devrait avoir tellement dilué le contenu du cosmos primordial qu'il n'y avait aucune chance d'en détecter.

Une illustration schématique de la production de monopôle magnétique (M) à partir de collisions de rayons cosmiques avec l'atmosphère terrestre. © Volodymyr Takhistov

Des monopôles magnétiques électrofaibles ?

Toutes ces idées sont revenues sur le devant de la scène de façon surprenante depuis moins de 10 ans quand les physiciens se sont convaincus que contrairement à ce qu'ils pensaient depuis les années 1970, la théorie électrofaible de Glashow-Salam-Weinberg contenait elle aussi des monopôles magnétiques mais qui devaient posséder des masses beaucoup plus faibles. Et même si peu élevées que des collisions au LHC pouvaient peut-être en produire, ou pour le moins avec des protons dans le rayonnement cosmique à des énergies certes encore inatteignables avec le LHC mais ne nécessitant pas, et de loin, les énergies du début du Big Bang.

Une équipe d'astrophysiciens des particules - dont Volodymyr Takhistov, membre du célèbre Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) à l'université de Tokyo - vient justement de publier un article dans Physical Review Letters, à consulter en accès libre sur arXiv, qui fait le point sur les dernières recherches avec les rayons cosmiques sur ces monopôles magnétiques à basses énergies.

Plus précisément et comme l'explique un communiqué du Kavli IPMU, Volodymyr Takhistov et ses collègues ont étudié les données disponibles à partir d'une variété d'expériences terrestres fournissant les recherches les plus sensibles à ce jour pour ces monopôles sur une large gamme de masses possibles.Les chercheurs se sont concentrés sur une source inhabituelle de monopôles - les collisions atmosphériques de rayons cosmiques qui se produisent depuis des éons. Cela a l'avantage de ne pas faire d'hypothèse supplémentaire sur la cosmologie primordiale et de pouvoir utiliser des résultats d'expériences enregistrant des flux de rayons cosmiques depuis plus d'une décennie, par exemple avec les détecteurs IceCube et Radio Ice Cherenkov Experiment (RICE) en Antarctique ou encore le Baikal Deep Underwater Neutrino Telescope.

Au final, il a été possible de poser de nouvelles bornes sur les masses et les probabilités de production de paires de monopôles magnétiques analogues des paires électron-positron à des énergies comprises entre 5 et 100 TeV (donc entre 5.000 et 100.000 fois la masse d'un proton) avec des collisions entre deux protons, que ce soit en accélérateur au Cern avec l'expérience MoEDAL (the Monopole and Exotics Detector at the LHC), ou dans l'atmosphère entre les noyaux des atomes présents et les protons des rayons cosmiques.

Une présentation beaucoup plus complète des monopôles magnétiques. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © PBS Space Time

Pour en savoir plus

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

Article de Laurent Sacco publié le 15/02/2013

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.

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.

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

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

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

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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