Le détecteur MoEDAL (Monopole and Exotics Detector at the Large Hadron Collider) auprès du Grand collisionneur de hadrons) recherche, comme son nom l’indique, des monopôles magnétiques – particules hypothétiques ayant une charge magnétique soit « nord » soit « sud », et donc une seule polarité – et d’autres particules théoriques exotiques. Ces recherches n’ont jusqu’à présent pas abouti ; elles ont toutefois apporté des informations cruciales permettant d’orienter les recherches futures. À présent, et c’est une première pour une expérience menée auprès d’un collisionneur de particules, MoEDAL recherche des monopôles magnétiques produits au moyen d’un processus appelé l’effet Schwinger.
Julian Schwinger, lauréat du prix Nobel, a démontré que des paires de particules électriquement chargées peuvent être créées spontanément dans un champ électrique élevé. De la même façon, des paires de monopôles magnétiques pourraient être créées spontanément dans un champ électrique élevé. Par rapport aux autres modes de production de monopôles magnétiques, ce phénomène, connu sous le nom d’effet Schwinger, présente certains avantages, notamment celui de créer un plus grand nombre de monopôles, augmentant ainsi les chances de les observer.
L’équipe travaillant sur MoEDAL recherche habituellement des monopôles magnétiques en exposant les « pièges à monopôles magnétiques » de l’expérience (composés de blocs d’aluminium de 800 kg) aux collisions proton-proton produites dans le Grand collisionneur de hadrons (LHC). Elle a exposé ces blocs aux collisions plomb-plomb produites au LHC en novembre 2018, juste avant l’arrêt du collisionneur pour travaux de maintenance, dans le but de trouver des monopôles magnétiques de Schwinger.
Les collisions plomb-plomb au LHC génèrent des champs magnétiques extrêmement forts ; La campagne de novembre 2018 a produit un champ magnétique maximal plus de dix mille fois plus élevé que les champs magnétiques les plus forts du cosmos (que l’on trouve à la surface des magnétars, étoiles à neutrons à rotation rapide) et dix millions de fois plus élevé que l’intensité du champ nécessaire pour créer des monopôles de Schwinger. Il est donc possible que ces collisions aient produit de tels monopôles.
Après avoir exposé les blocs aux collisions plomb-plomb, les scientifiques de MoEDAL les ont analysés à l’aide d’un dispositif appelé magnétomètre SQUID, en vue de détecter d’éventuelles charges magnétiques piégées appartenant à des monopôles de Schwinger. Aucun signe de ces monopôles n’a été trouvé dans les blocs, mais les données concernant les collisions plomb-plomb ont permis d’exclure l’existence de monopôles de Schwinger pour des masses allant jusqu’à 75 GeV/c2 (« c » représentant la vitesse de la lumière) pour des charges magnétiques allant de 1 à 3 unités de base de la charge magnétique.
« Les monopôles de Schwinger ont la particularité de ne pas être ponctuels ; ils ont une taille définie, explique James Pinfold, porte-parole de MoEDAL. Notre limite de masse est la première limite de masse inférieure pour les monopôles de taille définie obtenue à partir d’un collisionneur, et elle est plus restrictive que les précédentes limites de masse similaires, comme celles obtenues à partir des données sur les étoiles à neutrons. »
L’équipe de MoEDAL poursuivra ses recherches durant la prochaine période d’exploitation du LHC, qui débutera en 2022 et livrera davantage de données sur les collisions proton-proton et plomb-plomb à des fins d'analyse.