Monopôle magnétique - Définition

Introduction

Un monopôle magnétique est une particule hypothétique qui porterait une charge magnétique ponctuelle, au contraire des aimants habituels qui possèdent deux pôles magnétiques opposés.

Leur existence est exclue par l'électromagnétisme classique et la relativité mais en 1931 Paul Dirac en a démontré l'existence théorique dans le cadre de la physique quantique. En septembre 2009, des chercheurs ont observé des quasiparticules artificielles présentant les propriétés du monopôle magnétique. Mais à ce jour, aucune particule élémentaire "libre" disposant d'un monopôle magnétique n'a été observée.

Si une particule élémentaire disposant d'un monopôle magnétique était observée, les conséquences seraient importantes au niveau des théories d'unification des lois fondamentales de la physique car ces dernières s'opposent sur ce point.

Point de vue des équations de Maxwell

La dissymétrie expérimentale des équations de Maxwell par rapport à la dualité électrique-magnétique est liée au fait que le champ électrique est sourcé par les charges usuelles qui lui donnent une divergence non nulle mais le champ magnétique est toujours de divergence nulle à cause de l'absence de charge ponctuelle correspondante. Expérimentalement, la seule source du champ magnétique provient de l'existence d'un courant électrique c'est-à-dire, un mouvement de charges électriques.

L'existence de monopôles magnétiques impliquerait donc également l'existence de courants magnétiques qui fourniraient également une source au champ électrique d'une nature différente des sources usuelles (charge localisée ou induction).

Bien qu'en électromagnétisme classique, l'existence des monopôles magnétiques n'est pas compatible avec les équations de Maxwell et bien que la relativité restreinte permette de démontrer toutes les lois de Maxwell, dont celle qui prédit l'inexistence des monopôles magnétiques, à partir de l'hypothèse de l'existence de la charge électrique, Paul Dirac a démontré en 1931 que l'existence des monopôles magnétiques était compatible avec les équations de Maxwell dans l'hypothèse de la quantification de la charge électrique, qui elle est observée expérimentalement.

En physique du solide

En septembre 2009, plusieurs expériences ont mis en évidence l'existence de monopôles magnétiques dans des cristaux, sous la forme de quasiparticules. Ton Fennell à l'Institut Laue-Langevin et Jonathan Morris à Berlin ont créé les conditions permettant de reproduire artificiellement des monopoles de synthèse dans du titane d'holmium et du titane de dysprosium. Un courant a également pu être mis en évidence et les chercheurs pensent que cette découverte pourrait avoir des conséquences dans le domaine de la microélectronique.

Il est à noter qu'hormis le comportement microscopique, ces quasiparticules n'ont pas de lien avec la notion usuelle de « monopôle magnétique » telle que décrite ci-dessus pour la physique des particules vu qu'il ne s'agit pas de particules élémentaires. Néanmoins, ces découvertes font progresser la spintronique vers l'ordinateur quantique.

En physique des particules

En physique des particules, les monopôles magnétiques seraient un type de particule élémentaire possédant une charge magnétique ponctuelle. Leur existence a été postulée pour la première fois en 1894 par Pierre Curie, et Paul Dirac en a formalisé l'aspect quantique en 1931.

Ce type de particule, non observé à ce jour, ne fait pas partie de la théorie du modèle standard, mais plusieurs théories de grande unification prévoient l'existence de monopôles ou au moins la possibilité de leur existence à haute énergie. Ces théories ne sont donc actuellement pas encore validées ou invalidées en l'absence d'observations dans leur domaine de prédiction mais on peut imaginer des mécanismes expliquant leur non observation à notre échelle d'énergie habituelle d'observation.

Malgré d'intenses recherches, pas la moindre trace de cette particule n'a été observée. Une telle découverte aurait des conséquences importantes, puisque d'une part elle complèterait de façon naturelle la théorie de l'électromagnétisme en rendant les équations de Maxwell complètement symétriques sous la dualité électrique-magnétique et d'autre part elle donnerait une explication naturelle à la quantification de la charge électrique. En effet la condition de Dirac de quantification issue de considérations de la mécanique quantique impose à toute charge électrique et toute charge magnétique de vérifier la relation suivante

pour un certain entier et la constante de Planck réduite. Ainsi, si on pouvait montrer l'existence d'une seule charge magnétique il en découlerait naturellement une quantification de la charge électrique en unités de

Monopôles magnétiques vus comme des neutrinos magnétiquement chargés

Georges Lochak, ancien directeur de la Fondation Louis-de-Broglie, a développé une théorie des monopôles magnétiques, vus comme des neutrinos magnétiquement chargés. Cette théorie est utilisée par les chercheurs de l'Institut de physique nucléaire Kurtchatov (en Russie) pour expliquer les résultats d'une expérience de décharge électrique dans une feuille de titane. L'expérience a été reproduite avec succès à l'école centrale de Nantes.

La théorie de Lochak et les expériences de l'institut Kurtchakov font cependant l'objet de peu de publications en dehors des annales de la Fondation de Broglie, et ne connaissent pas un grand écho dans la communauté scientifique internationale.