Dans La Théorie du Big Bang, pour ses recherches sur la théorie des cordes, Sheldon et ses trois amis se rendirent au pôle Nord magnétique à la recherche de monopôles magnétiques. Sheldon crut un jour avoir prouvé l'existence de ces monopôles et espéra remporter un prix Nobel pour cela.
Crédit image : Images tirées de The Big Bang Theory.
Bien que le monopôle magnétique de Sheldon se soit avéré être un oolong, de nombreux scientifiques au sein de la communauté scientifique s'intéressent à cette particule magique hypothétique. Plusieurs théories physiques ont prédit l'existence de cette particule unique, mais elle n'a pas encore émergé.
Monopôle magnétique
Les aimants sont omniprésents dans nos vies. Que ce soit sur votre réfrigérateur, votre smartphone ou votre carte de crédit, tous les aimants ont un point commun : ils doivent avoir un pôle sud et un pôle nord.
Même si l'on coupe un aimant en deux, peu importe le nombre de fois que l'on répète l'opération et la taille de la coupe, on obtient un nouvel aimant doté de ses propres pôles nord et sud. Ce phénomène se reflète dans les équations de Maxwell, qui montrent qu'il existe des charges positives et négatives isolées dans l'univers, mais pas de charges magnétiques isolées.
Le développement de la mécanique quantique au cours du siècle dernier a ouvert un nouveau chapitre de l'histoire. En 1931, Dirac prédit l'existence d'une particule élémentaire hypothétique dotée d'un seul pôle magnétique dans l'univers, ce que l'on appelle souvent un monopôle magnétique. Tous les aimants que nous connaissons ont un pôle sud et un pôle nord. Or, les monopôles magnétiques n'en ont qu'un.
De nombreux physiciens (probablement la plupart) croient à l'existence de monopôles magnétiques. Ils savent déjà que l'électricité et le magnétisme forment une seule force, et si des charges positives et négatives peuvent coexister, comme des électrons uniquement chargés négativement, alors des particules ne possédant qu'un seul pôle magnétique devraient exister.
En théorie, les monopôles magnétiques auraient dû apparaître dans l'univers primordial et sont stables. Il devrait donc exister un flux résiduel de monopôles magnétiques issu du Big Bang, imprégnant encore tout l'espace. Mais le problème est qu'à ce jour, ils n'ont jamais été détectés.
Trouver dans la glace et la neige
Dans la chasse aux monopôles magnétiques, un détecteur de neutrinos géant au pôle Sud pourrait nous aider.
L'observatoire de neutrinos IceCube est un télescope « étrange ». Composé de plus de 5 000 capteurs de lumière enfouis dans un kilomètre cube de glace en Antarctique, il était initialement destiné à étudier les neutrinos, une particule fondamentale légère qui imprègne l'univers.
Image : Observatoire IceCube, Antarctique. | Crédit image : IceCube Neutrino
Les neutrinos sont insaisissables, et la seule façon de les étudier est presque d’analyser les produits de leurs rares interactions avec la matière, ce qui revient à étudier les animaux en fonction de leurs empreintes dans la neige.
Si un neutrino entrait en collision avec un atome dans la couche de glace entourant IceCube, il pourrait produire une particule chargée appelée muon. Lorsqu'un muon se déplace suffisamment vite à travers la glace, il produit un cône de rayonnement bleu, appelé lumière Tcherenkov, sur sa trajectoire. Cette énergie lumineuse traverse la glace et, au passage, active les capteurs d'IceCube, qui indiquent aux scientifiques l'énergie et la direction de la particule.
Il est intéressant de noter que non seulement les neutrinos, mais aussi les monopôles magnétiques, s'ils existent, émettraient également de la lumière Tcherenkov lors de leur passage dans le détecteur IceCube à une vitesse proche de celle de la lumière. Mais une chose les distingue : leur incroyable luminosité. Les monopôles magnétiques émettent environ 8 000 fois plus de lumière Tcherenkov que les muons, et cette émission est uniformément répartie le long de leur trajectoire. Cela donne à IceCube un motif unique et distinctif de caractéristiques.
Monopôles magnétiques, muons pénétrants, particules de pluie, muons sombres
Les monopôles magnétiques devraient laisser une trace très visible dans l'IceCube du pôle Sud. Le bleu représente le détecteur IceCube, et la ligne pointillée la trajectoire de la particule. Les zones colorées autour des trajectoires représentent les diagrammes de lumière Tcherenkov émis par différents types de particules. Les couleurs, du rouge au vert, indiquent la génération de la lumière, de la première à la dernière. | Crédit image : Alexander Burgman, Collaboration IceCube
C'est pourquoi les scientifiques d'IceCube ont décidé de rechercher des signes de monopôles magnétiques dans huit années de données. Ils ont d'abord filtré les événements exceptionnellement brillants et recherché une émission uniforme le long de leur trajectoire. Puisque les monopôles magnétiques peuvent pénétrer complètement le détecteur, ils doivent exclure les trajectoires non pénétrantes. Ensuite, les chercheurs ont entraîné un outil de description d'événements basé sur l'apprentissage automatique (arbre de décision optimisé) pour distinguer les événements de monopôles magnétiques des événements de muons dans les échantillons.
L'équipe a récemment publié les résultats de cette recherche. Malheureusement, les scientifiques n'ont pas réussi à trouver de signature de monopôles magnétiques cosmiques.
Regardez dans le collisionneur
En plus de capturer des monopôles magnétiques dans l’univers, les scientifiques travaillent également à « créer » de telles particules en laboratoire.
Une nouvelle classe d'expériences au LHC (Large Hadron Collider), crédité de la découverte du boson de Higgs, a créé des conditions plus susceptibles de produire des monopôles magnétiques, permettant aux chercheurs d'affiner les propriétés possibles de l'enfant.
Le LHC fracasse généralement des protons à des énergies extrêmement élevées. Mais en 2018, il a brisé une autre particule : un ion lourd, plus précisément un noyau de plomb. Ces particules contiennent des centaines de protons et de neutrons, et cette lourdeur signifie qu'elles ne peuvent entrer en collision qu'à des énergies inférieures à celles des collisions à protons uniques.
Cependant, si ces noyaux de plomb s'inclinaient accidentellement ou passaient très près, leur interaction pourrait produire quelque chose de spectaculaire : l'un des champs magnétiques les plus puissants connus de l'univers, plus puissant que ceux des étoiles à neutrons. Le champ magnétique est un million de fois plus puissant. Ces champs magnétiques ne durent que très peu de temps, mais leur présence fournit un mécanisme différent pour créer des monopôles magnétiques.
Tentatives de création de monopôles magnétiques par collision d'ions lourds. | Crédit image : James Pinfold, Collaboration MoEDAL
La théorie suit un mécanisme produisant une « version électrique » d'un monopôle. Le mécanisme de Schwinger, proposé dans les années 1930, supposait qu'un champ électrique intense interagissait avec les fluctuations quantiques dans le vide, créant des « monopôles électriques » positifs et négatifs (électrons et positons). De même, les scientifiques supposent qu'un champ magnétique intense devrait engendrer des monopôles magnétiques nord et sud.
Contrairement aux collisions de protons, où les particules naissent d'une seule collision violente, dans le mécanisme de Schwinger, les particules naissent d'un grand nombre de petites interactions. Les chercheurs peuvent décrire théoriquement ces effets.
Fait important, cela a permis aux chercheurs de prédire le nombre de monopôles que le mécanisme produirait. Cette prédiction dépend de la masse du monopôle magnétique. En d'autres termes, si ces monopôles sont trop lourds, le cœur de plomb du LHC n'a pas assez d'énergie pour les produire.
Les chercheurs ont découvert que c’était le cas lors d’une expérience de 2018, lorsqu’ils n’ont pas réussi à créer un monopôle magnétique.
Pour la science, même les résultats négatifs ont des implications positives. Ils nous permettent néanmoins d'explorer l'essence de la nature. Ces expériences démontrent également que si des monopôles magnétiques existent, leur masse doit dépasser une certaine limite (75 GeV/c²). Les nouveaux résultats ont été publiés récemment dans la revue Nature.
Mystère manquant
Le mystère de la disparition du monopôle reste entier, mais de nombreux physiciens pensent encore que cela ne signifie pas son inexistence. Dans notre modèle actuel « favori » de l'univers primitif, un monopôle magnétique est une particule « bonus ».
S’il s’avère qu’ils n’existent pas réellement, nous devrons repenser les hypothèses les plus fondamentales de notre modèle actuel du monde.