Vous avez probablement entendu parler du boson de Higgs. L’existence de cette particule insaisissable a été prédite il y a longtemps et a contribué à expliquer pourquoi l’Univers fonctionne comme il le fait, mais il nous a fallu des décennies pour la détecter.
Il existe une autre particule insaisissable qui a également été prédite par la physique quantique, et elle a disparu depuis encore plus longtemps. En fait, nous n’en avons toujours pas repéré, et ce n’est pas faute d’avoir essayé. Il s’agit du monopôle magnétique, qui possède quelques propriétés uniques qui le rendent assez spécial.
Ceux qui s’intéressent à la physique connaissent probablement déjà le monopôle électrique, même si vous le connaissez peut-être sous son nom le plus courant : la charge électrique.
Les charges électriques opposées s’attirent et les charges semblables se repoussent par l’interaction des champs électriques, qui sont définis comme allant du positif au négatif. Ce sont les étiquettes quelque peu arbitraires des deux charges électriques opposées.
Les monopoles électriques existent sous la forme de particules qui ont une charge électrique positive ou négative, comme les protons ou les électrons.
À première vue, le magnétisme semble quelque peu analogue à l’électricité, puisqu’il existe un champ magnétique dont la direction est définie comme allant du nord au sud.
Cependant, l’analogie s’effondre lorsque nous essayons de trouver la contrepartie magnétique de la charge électrique. Si nous pouvons trouver des monopoles électriques sous la forme de particules chargées, nous n’avons jamais observé de monopoles magnétiques.
Au contraire, les aimants n’existent que sous la forme de dipôles avec une extrémité nord et une extrémité sud. Lorsqu’un barreau aimanté est divisé en deux morceaux, on n’obtient pas une partie nord et une partie sud distinctes. Vous obtenez plutôt deux nouveaux aimants plus petits, chacun avec une extrémité nord et une extrémité sud.
Même si vous divisez cet aimant en particules individuelles, vous obtenez toujours un dipôle magnétique.
Lorsque nous observons le magnétisme dans le monde, ce que nous voyons est entièrement conforme aux équations de Maxwell, qui décrivent l’unification de la théorie des champs électriques et magnétiques dans l’électromagnétisme classique.
Elles ont été publiées pour la première fois par James Maxwell en 1861 et 1862 et sont encore utilisées quotidiennement à un niveau pratique dans l’ingénierie, les télécommunications et les applications médicales, pour n’en citer que quelques-unes.
Mais l’une de ces équations – la loi de Gauss pour le magnétisme – stipule qu’il n’existe pas de monopoles magnétiques.
Le magnétisme que nous observons au quotidien peut être attribué au mouvement des charges électriques. Lorsqu’une particule chargée d’électricité se déplace le long d’une trajectoire, comme un électron se déplaçant le long d’un fil, il s’agit d’un courant électrique. Celui-ci induit un champ magnétique qui s’enroule autour de la direction du courant.
La deuxième cause du magnétisme implique une propriété de la mécanique quantique appelée “spin”. On peut imaginer qu’une particule chargée d’électricité tourne sur un axe plutôt que de se déplacer dans une direction particulière.
Cela génère un moment angulaire dans la particule, ce qui fait que l’électron agit comme un dipôle magnétique (c’est-à-dire un minuscule barreau aimanté). Cela signifie que nous pouvons décrire les phénomènes magnétiques sans avoir besoin de monopoles magnétiques.
Mais ce n’est pas parce que nos théories électromagnétiques classiques sont cohérentes avec nos observations qu’il n’y a pas de monopoles magnétiques. Au contraire, cela signifie simplement qu’il n’y a pas de monopoles magnétiques où que ce soit que nous ayons observé.
Une fois que nous commençons à fouiller dans les profondeurs obscures de la théorie, nous commençons à trouver des arguments tentants pour leur présence dans l’Univers.
L’attrait de la dualité
En 1894, le lauréat du prix Nobel Pierre Curie a évoqué la possibilité d’une telle particule non découverte et n’a trouvé aucune raison d’écarter son existence.
Plus tard, en 1931, le lauréat du prix Nobel Paul Dirac a montré que lorsque les équations de Maxwell sont étendues pour inclure un monopole magnétique, la charge électrique ne peut exister que sous forme de valeurs discrètes.
Cette “quantification” de la charge électrique est l’une des exigences de la mécanique quantique. Les travaux de Dirac ont donc contribué à montrer que l’électromagnétisme classique et l’électrodynamique quantique étaient des théories compatibles dans ce sens.
Enfin, rares sont les physiciens qui peuvent résister à la beauté de la symétrie dans la nature. Et parce que l’existence d’un monopôle magnétique impliquerait une dualité entre l’électricité et le magnétisme, la théorie suggérant les monopôles magnétiques devient presque enivrante.
La dualité, au sens physique du terme, c’est lorsque deux théories différentes peuvent être reliées de telle manière qu’un système est analogue à l’autre.
Si la force électrique était totalement analogue à la force magnétique, alors peut-être que d’autres forces seraient également analogues entre elles. Peut-être y aurait-il alors un moyen de relier la force nucléaire forte à la force nucléaire faible, ouvrant la voie à une grande unification de toutes les forces physiques.
Bien sûr, ce n’est pas parce qu’une hypothèse présente une symétrie attrayante qu’elle est correcte.
Un monopôle magnétique unique pourrait se cacher quelque part. Crédit : CERN/MoEDAL
Mirage d’un monopôle
Les scientifiques ont failli voir des monopoles magnétiques en produisant des structures semblables à des monopoles en laboratoire à l’aide d’arrangements complexes de champs magnétiques dans des condensats de Bose-Einstein et des superfluides.
Mais si ces expériences montrent qu’un monopôle magnétique n’est pas une impossibilité physique, elles ne permettent pas d’en découvrir un dans la nature.
Les expériences de physique des particules ont, à l’occasion, annoncé des candidats possibles au monopole, mais jusqu’à présent, aucune de ces découvertes ne s’est avérée irréfutable ou reproductible.
Le détecteur de monopoles et d’exotiques du Grand collisionneur de hadrons (MoEDAL) a repris la recherche, mais n’a trouvé aucun monopole à ce jour.
En conséquence, les amateurs de monopoles magnétiques ont cherché à expliquer pourquoi nous n’avons pas vu de monopoles.
Si la génération actuelle d’accélérateurs de particules n’a pas réussi à détecter un monopôle magnétique, peut-être la masse d’un monopôle est-elle tout simplement supérieure à ce que nous sommes capables de créer actuellement.
En utilisant la théorie, nous pouvons estimer la masse maximale possible pour le monopôle magnétique. Compte tenu de ce que nous savons déjà de la structure de l’Univers, nous pouvons estimer que la masse du monopôle pourrait atteindre un énorme1014 TeV.
Un objet aussi massif ne peut avoir été produit qu’aux tout premiers stades de l’Univers après le Big Bang, avant le début de l’inflation cosmique.
Si l’Univers s’est refroidi à un point tel que la création de monopoles n’était plus énergétiquement possible avant l’expansion, les monopoles existent peut-être. Mais ils sont rares et espacés. L’astuce consiste à en trouver un.