Des chercheurs recherchent des aimants unipolaires en combinant rayons cosmiques et accélérateurs de particules

Les aimants sont intimement familiers à tout le monde, avec de nombreuses applications dans la vie quotidienne, des téléviseurs et ordinateurs aux jouets pour enfants. Cependant, casser n’importe quel aimant, comme une aiguille de boussole de navigation composée de pôles nord et sud en deux, se traduira par seulement deux aimants bipolaires plus petits. Ce mystère a échappé aux chercheurs pendant des décennies depuis 1931, lorsque le physicien Paul Dirac a théorisé l’existence de “monopôles magnétiques” unipolaires – des particules comparables aux électrons mais avec une charge magnétique.

Pour déterminer s’il existe des monopôles magnétiques, une équipe internationale de chercheurs, dont Volodymyr Takhistov, membre du Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) de l’Université de Tokyo, a étudié les données disponibles d’une variété d’expériences terrestres et a effectué la les recherches les plus sensibles à ce jour pour les monopôles sur une large gamme de masses possibles. Les chercheurs se sont concentrés sur une source inhabituelle de monopôles – les collisions atmosphériques de rayons cosmiques qui se produisent depuis des éons.

La recherche interdisciplinaire nécessitait de rassembler l’expertise de plusieurs domaines scientifiques distincts, notamment la physique des accélérateurs, les interactions des neutrinos et les rayons cosmiques.

Les collisions des rayons cosmiques avec l’atmosphère ont déjà joué un rôle central dans l’avancement de la science, en particulier l’exploration des neutrinos fantomatiques. Cela a conduit au prix Nobel de physique 2015 du Kavli IPMU Senior Fellow Takaaki Kajita pour la découverte par l’expérience Super-Kamiokande que les neutrinos oscillent en vol, ce qui implique qu’ils ont une masse.

Partiellement inspirée par les résultats de Super-Kamiokande, l’équipe s’est mise au travail sur les monopôles. Les monopôles légers avec des masses autour de l’échelle électrofaible, qui peuvent être facilement accessibles aux accélérateurs de particules conventionnels, étaient particulièrement intrigants.

En effectuant des simulations de collisions de rayons cosmiques, de manière analogue aux collisions de particules au LHC du CERN, les chercheurs ont obtenu un faisceau persistant de monopôles lumineux pleuvant sur différentes expériences terrestres.

Cette source unique de monopôles est particulièrement intéressante, car elle est indépendante de tous les monopôles préexistants tels que ceux potentiellement laissés comme reliques de l’Univers primordial, et couvre une large gamme d’énergies.

En analysant à nouveau les données d’un large éventail de recherches expérimentales antérieures de monopôles, les chercheurs ont identifié de nouvelles limites sur les monopôles sur une large gamme de masses, y compris celles qui sont hors de portée des recherches de monopôles conventionnelles sur collisionneur.

Ces résultats et la source des monopôles étudiés par les chercheurs serviront de référence utile pour interpréter les futures recherches futures de monopôles dans les laboratoires terrestres.