Monopôle magnétique

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

Histoire[modifier | modifier le code]

L'existence de monopôles magnétiques est exclue par l'électromagnétisme classique et par la théorie de 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[modifier | modifier le code]

La dissymétrie expérimentale des équations de Maxwell par rapport à la dualité électrique-magnétique est liée au fait que le champ électrique est généré par les charges usuelles[1] 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 magnétique).

Bien qu'en électromagnétisme classique, l'existence des monopôles magnétiques ne soit 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 démontra 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[2].

En physique des particules[modifier | modifier le code]

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 dans un article sur « la possibilité d'existence de la conductibilité magnétique et du magnétisme libre »[3], et Paul Dirac en a formalisé l'aspect quantique en 1931[4].

Ce type de particule devrait selon Pierre Curie répondre à des lois de symétrie et être chirale (c'est-à-dire présentant deux formes, un peu la manière des mains, droites et gauches).

Malgré d'intenses recherches, cette sorte de particules n'a pas été observées à ce jour, et ne s'inscrit pas dans 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.

Sa découverte aurait des conséquences importantes, car 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 q_e\, et toute charge magnétique q_m\, de vérifier la relation suivante[réf. nécessaire]

q_e q_m = 2\pi n\hbar\,

pour un certain entier n\in\mathbb{Z} et \hbar\, 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 \hbar\,.

Leur non observation pourrait être due à une masse très élevée, certains ont aussi supposé qu'il pourrait s'agir de bosons (de particules pouvant s’agglutiner dans un même état quantique), et doués d'interactions fortes, analogues aux interactions nucléaires.


Monopôles magnétiques vus comme des neutrinos magnétiquement chargés[modifier | modifier le code]

Georges Lochak, directeur de la Fondation Louis-de-Broglie, a proposé en 1983 l'hypothèse de « monopôles fermioniques (refusant de se mettre dans un même état), de masse nulle au lieu d'être énorme), avec des interactions faibles (très petites par rapport aux forces nucléaires) », qu'il juge « ancrée dans l'équation de l'électron de Dirac » dont la solidité est selon lui « reconnue par tous ». Il a ensuite développé une théorie nouvelle des monopôles magnétiques, vus comme des neutrinos magnétiquement chargés[5] et comme « le versant magnétique de l'électron, dont ce monopôle est très proche tout en obéissant à d'autres lois de symétrie ».

Cette théorie est utilisée par les chercheurs de l'Institut de physique nucléaire Kurtchatov[6] (en Russie) pour expliquer le « rayonnement étrange » (qui laisse des traces à distance dans une boite de pétri et dans des émulsions photographique) et d'autres résultats d'une expérience de décharge électrique dans une feuille de titane[7] (en particulier ce titane devient magnétique pour quelques jours, assez pour être attiré par un aimant). L'expérience a été reproduite avec succès à l'École centrale de Nantes[8].

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.

Un modèle indépendant et complémentaire de celui de Lochak a été proposé par Michel Rambaut, faisant intervenir la résonance harmonique et les clusters d'électrons[9].

En physique du solide[modifier | modifier le code]

En septembre 2009, plusieurs expériences ont mis en évidence l'existence de monopôles magnétiques dans des cristaux, sous la forme de quasiparticules constituant les extrémités de cordes de Dirac (non infiniment longue). Tom 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 titanate d'holmium et du titanate de dysprosium[10].

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[11],[12].

Il est à noter que 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.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. qu'on peut également appeler des monopôles électriques.
  2. Paul Dirac, "Quantised Singularities in the Electromagnetic Field". Proc. Roy. Soc. (London) A 133, 60 (1931). Free web link.
  3. Pierre Curie, « Sur la possibilité d'existence de la conductibilité magnétique et du magnétisme libre », Séances de la Société Française de Physique, Paris,‎ 1894, p. 76 (lire en ligne)
  4. (en) Paul Dirac, « Quantised Singularities in the Electromagnetic Field », Proceedings of the Royal Society A, Londres, vol. 133, no 821,‎ 1er septembre 1931, p. 60-72 (ISSN 1471-2954, DOI 10.1098/rspa.1931.0130, lire en ligne [PDF])
  5. Présentation des monopôles magnétiques de Georges Lochak (fr)
  6. site de l'institut kurtchakov (en)
  7. Low-energy nuclear reaction and the leptonic monopole (en)
  8. Explosion électrique d’un fil de titane dans de l’eau en milieu confiné (fr)
  9. Emmanuel Grenier. Les monopôles : une nouvelle fenêtre d'observation sur l'univers physique. Fusion 2004 (100) : 21-25.
  10. Aimants : on tient enfin le monopôle magnétique !, Nicolas Kalogeropoulos, Science et Vie, n°1108, janvier 2010, page 99.
  11. (en) Geoff Brumfiel, « 'Overwhelming' evidence for monopoles », sur Nature,‎ 2009 (consulté le 14/10/09)
  12. (en) Jason Palmer, Science and Technology Reporter, BBC News, « 'Magnetic electricity discovered' »,‎ 2009 (consulté le 18/10/09)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]