I monopoli magnetici sono stati ipotizzati da Paul Dirac nel 1931 come possibili particelle. Dirac dimostrò che la loro esistenza non dà luogo a contraddizioni nella meccanica quantistica purché sia soddisfatta la condizione che il prodotto di e (la carica dell'elettrone) e di g (la carica del monopolo) sia uguale a 2π volte un numero intero n, cioè:

e · g = 2πn

Ne segue che poiché la carica dell'elettrone è piccola, la carica del monopolo è grande, anche per il minimo n =1.

Successivamente nel 1974 indipendentemente Polyakov e t'Hooft hanno dimostrato che nelle teorie di campo del tipo teorie di gauge non abeliane parzialmente rotte (purtroppo non è possibile spiegare semplicemente e in questo contesto cosa siano queste teorie) ci sono soluzioni interpretabili come monopoli magnetici.

La minima massa di questi monopoli è M_g/e² dove e rappresenta ancora la carica dell'elettrone e M_g la massa del bosone di gauge pesante, l'analogo del bosone W delle interazioni deboli.

Nel modello standard (verificato sperimentalmente finora per energie dell'ordine dei 100 GeV grazie all'acceleratore di particelle LEP, Large Electron Positron Collider, utilizzato al CERN di Ginevra dal 1989) queste soluzioni non ci sono. Sono invece previste nella ipotizzata teoria della grande unificazione tra interazioni elettromagnetiche, deboli e forti, che dovrebbe avvenire a una energia maggiore di vari ordini di grandezza. Quindi M_g sarebbe dell'ordine di 10¹⁶ GeV e il monopolo avrebbe una massa dell'ordine di 10¹⁸ GeV completamente al di fuori della portata (circa 2000 Gev) del Large Hadron Collider (LHC).

Per cui i monopoli non possono essere prodotti dagli acceleratori; se ci sono, è perché sono stati prodotti all'origine del cosmo, e vengono attualmente cercati con rivelatori che ne dovrebbero rilevare il passaggio. Misure di questo tipo sono tentate, per esempio, nei laboratori sotto il Gran Sasso, ma finora non hanno avuto successo (la teoria del big bang ne prevedeva una copiosissima produzione alle immani energie iniziali ma il modello dell'inflazione cosmica spiega tra le altre cose perché ciò non avviene).

Infine, per ciò che concerne il rapporto tra i monopoli e il confinamento dei quark, la risposta è che tra i vari meccanismi proposti per spiegare il confinamento (ancora non c'è una vera teoria), uno è basato su una specie di metafora in cui c'entrano i monopoli.

Questa metafora comincia osservando che nei superconduttori i monopoli (se ci fossero) sarebbero confinati: perché il fluido degli elettroni nello stato di superconduzione costringe le linee di forza del campo magnetico dentro tubi sottili che si comportano come fossero elastici, che tirano l'uno contro l'altro i monopoli di carica magnetica opposta. Un monopolo isolato sarebbe attaccato a un elastico infinitamente lungo e avrebbe una improbabile energia infinita.

La metafora continua ipotizzando che delle configurazioni simili ai monopoli siano abbondanti nella teoria di gauge QCD¹ (Quantum Chromo Dynamics), che descrive le forze tra i quark, e che questi pseudo-monopoli formino un fluido superconduttore magnetico. Essendo immersi in questo fluido, i quark, la cui carica è pseudo-elettrica, sarebbero confinati. Il meccanismo è il duale del precedente: prima abbiamo detto che i tubi di flusso magnetici nel superfluido elettrico confinano i monopoli, adesso diciamo che tubi di flusso pseudo-elettrico confinano i quark nel superfluido pseudo-magnetico.

È probabile che questa immagine colga qualitativamente parte del fenomeno del confinamento dei quark, che però prima o poi dovrà essere descritto in maniera quantitativamente precisa.

Note:

(1) È importante sottolineare che in questa teoria non c'è la vera soluzione di Poliakov e t'Hooft, ma qualcosa di simile che è stato osservato in simulazioni al computer.