Le tube du Grand collisionneur de hadrons rapproche plus que jamais la recherche d’un insaisissable monopôle magnétique

De nouvelles recherches utilisant une section déclassée du tube à faisceau du Grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN ont permis aux scientifiques de se rapprocher plus que jamais de la possibilité de tester l’existence de monopôles magnétiques.

Des scientifiques de l’Université de Nottingham, en collaboration avec une équipe internationale, ont révélé les contraintes les plus strictes à ce jour sur l’existence des monopôles magnétiques, repoussant les limites de ce que l’on sait sur ces particules insaisissables. Leurs recherches ont été publiées dans Lettres d’examen physique.

En physique des particules, un monopôle magnétique est une particule élémentaire hypothétique qui est un aimant isolé avec un seul pôle magnétique (un pôle nord sans pôle sud ou vice versa).

Oliver Gould, Dorothy Hodgkin Fellow à l’École de physique et d’astronomie de l’Université de Nottingham, est le principal théoricien de l’étude. Il a déclaré : « Pourrait-il y avoir des particules avec un seul pôle magnétique, nord ou sud ? Cette possibilité intrigante, défendue par les physiciens de renom Pierre Curie, Paul Dirac et Joseph Polchinski, est restée l’un des mystères les plus captivants de la physique théorique. Confirmer leur existence serait une transformation pour la physique, mais jusqu’à présent, les recherches expérimentales n’ont abouti à rien. »

L’équipe a concentré ses recherches sur une section déclassée du tube de faisceau du LHC au CERN, l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire.

Menée par des physiciens de l’expérience MoEDAL (Monopole and Exotics Detector) du LHC, l’étude a examiné une section de tube à faisceau de béryllium qui avait été placée au point de collision des particules pour l’expérience Compact Muon Solenoid (CMS). Ce tube avait subi le rayonnement de milliards de collisions d’ions à très haute énergie se produisant à quelques centimètres de distance.

« La proximité du tube à faisceau avec le point de collision des ions lourds ultra-relativistes offre une opportunité unique de sonder des monopôles avec des charges magnétiques d’une élévation sans précédent », a expliqué Aditya Upreti, un doctorant qui a dirigé l’analyse expérimentale alors qu’il travaillait dans le groupe MoEDAL du professeur Ostrovskiy à l’Université d’Alabama.

« Comme la charge magnétique est conservée, les monopôles ne peuvent pas se désintégrer et devraient être piégés par le matériau du tube, ce qui nous permet de les rechercher de manière fiable avec un appareil directement sensible à la charge magnétique. »

Les chercheurs ont étudié la production de monopôles magnétiques lors des collisions d’ions lourds au LHC, qui génèrent des champs magnétiques encore plus puissants que ceux des étoiles à neutrons en rotation rapide. Des champs aussi intenses pourraient conduire à la création spontanée de monopôles magnétiques par le biais du mécanisme de Schwinger.

Oliver a ajouté : « Bien qu’il s’agisse d’un vieux morceau de tuyau destiné à être éliminé, nos prédictions indiquaient qu’il pourrait s’agir de l’endroit le plus prometteur sur Terre pour trouver un monopôle magnétique. »

La collaboration MoEDAL a utilisé un magnétomètre supraconducteur pour analyser le tube à faisceau à la recherche de signatures de charges magnétiques piégées. Bien qu’ils n’aient trouvé aucune preuve de monopôles magnétiques, leurs résultats excluent l’existence de monopôles plus légers que 80 GeV/c² (où c est la vitesse de la lumière) et fournissent les contraintes de pointe pour les charges magnétiques allant de deux à 45 unités de base.

L’équipe de recherche envisage désormais d’étendre ses recherches. Oliver conclut : « Le tube à faisceau que nous avons utilisé provient de la première expérience du Grand collisionneur de hadrons, qui a été réalisée avant 2013 et à des énergies plus basses. En étendant l’étude à une expérience plus récente à des énergies plus élevées, nous pourrions doubler notre portée expérimentale. Nous envisageons également des stratégies de recherche complètement différentes pour les monopôles magnétiques. »