Couper un aimant en deux donne deux aimants, chacun avec son propre pôle nord et sud. Cette apparente absence de pôle magnétique isolé, ou "monopole magnétique, " a intrigué les physiciens pendant plus d'un siècle. Il semblerait parfaitement naturel qu'un monopole magnétique existe; les équations de Maxwell refléteraient une symétrie complète entre l'électricité et le magnétisme si des particules avec une charge magnétique étaient observées. Mais le mystère demeure :alors que chaque particule connue est soit chargée électriquement soit neutre, aucun n'a été trouvé pour être magnétiquement chargé.

En 1931, Paul Dirac a formellement proposé une théorie des monopôles magnétiques, qui pourraient être produites dans des conditions comme celles que l'on trouve au LHC. Les scientifiques de la collaboration ATLAS au CERN ont conçu une technique spécialisée pour rechercher des preuves de telles particules. Selon Dirac, monopôles magnétiques de charge magnétique fondamentale (1 g ré ) ioniserait la matière de la même manière qu'un objet à haute charge électrique (HECO) le ferait. Grands gisements d'énergie, proportionnel à la charge au carré, resteraient dans le détecteur ATLAS à travers lequel ces particules ont voyagé.

Ainsi, une recherche de monopôles magnétiques avec ces caractéristiques va de pair avec une recherche de particules stables de plusieurs fois (plus de 20) la charge de l'électron. Les physiciens d'ATLAS sélectionnent les événements de collision avec les caractéristiques attendues des HECO ou des monopôles magnétiques à partir des données collectées par les systèmes de détection de poursuite et de calorimètre d'ATLAS pour une analyse plus approfondie. Ces événements candidats sont identifiés en discriminant des régions avec des dépôts d'énergie larges et étroits dans le calorimètre et des traces correspondantes d'ionisation élevée dans le traqueur de rayonnement de transition.

La collaboration ATLAS a publié ses premiers résultats de la recherche de monopôles magnétiques et d'HECO dans des collisions proton-proton de 13 TeV. Étant donné qu'aucune preuve de monopôles magnétiques ou de HECO n'a été observée, des contraintes ont été établies sur les particules de spin-0 et de spin-½ en supposant le mécanisme de production de paires électromagnétiques Drell-Yan.

À ce jour, la recherche est l'étude la plus sensible sur les monopôles magnétiques dans la gamme de 1 à 2 g ré charge magnétique, surpassant les résultats de l'expérience dédiée MoEDAL, qui sonde néanmoins une gamme plus large. L'étude s'améliore également, d'environ un facteur cinq, les contraintes précédentes sur la production directe de monopôles magnétiques de charge magnétique 1 g ré (voir figure). De plus, c'est la première recherche à étudier les HECO avec des charges supérieures à 60 fois la charge de l'électron, dépassant ainsi les gammes couvertes par les études précédentes des collaborations CMS et ATLAS.

ATLAS s'est une fois de plus avéré être un instrument puissant pour l'étude scientifique. Grâce à ses capacités de détection à usage général, les physiciens pourront continuer à chasser des particules exotiques comme le monopôle magnétique.