Un accélérateur de particules qui tient sur le bout du doigt

Comme leurs collègues ailleurs dans le monde, les chercheurs de l'université Stanford cherchent à miniaturiser les accélérateurs de particules, et surtout à les rendre moins chers. Ils viennent d'obtenir d'excellentes performances en utilisant une sorte de réseau gravé sur du verre de quartz de la taille d'un grain de riz, et illuminé par un laser infrarouge. Les accélérateurs de particules du futur pour lutter contre le cancer par protonthérapie tiendront peut-être sur une paillasse.


Des appareils de radiographie portable sur le lieu d'un accident, ou des synchrotons comme sources de rayons X dans toutes les universités pour les chercheurs : voilà les rêves que poursuivent certains physiciens. Ceux du Slac ont réussi à accélérer des électrons avec des performances supérieures aux accélérateurs actuels avec une sorte de réseau gravé sur un grain de quartz tenant sur le bout d'un doigt. © Brad Plummer, Slac.

Nanotechnologie et laser : telle est la recette qui a permis à un groupe de physiciens du célèbre Centre de l’accélérateur linéaire de Stanford, le Slac, d’accélérer des électrons dix fois plus rapidement sur une distance de moins d’un millimètre qu’avec les techniques habituelles. Rappelons qu’avec ses 3,2 km de long, le Slac peut accélérer des électrons jusqu’à 50 GeV. Il a permis des découvertes célèbres, comme la confirmation de la structure en quarks des nucléons ou celle du quark charmé par Burton Richter.

On parle beaucoup ces derniers temps d’un autre accélérateur linéaire, mais qui reste pour le moment à l’état de projet, bien que les travaux nécessaires à sa conception soient arrivés à terme. Il s’agit de l’International Linear Collider (ILC). Il s’agit en fait d’un collisionneur formé de deux accélérateurs linéaires. Long de presque 31 km, il devrait produire des collisions d’électrons et de positrons à des énergies d’au moins 500 GeV. Les chercheurs aimeraient bien pouvoir réduire drastiquement les coûts et les tailles des machines qui lui succéderont.


Le principe de l'accélération par laser utilisé par les chercheurs du Slac est décrit dans cette vidéo. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître, si ce n'est pas déjà le cas. En passant simplement la souris sur le rectangle, vous devriez voir l'expression « Traduire les sous-titres ». Cliquez pour faire apparaître le menu du choix de la langue, choisissez « Français », puis cliquez sur « OK ». © Slac National Accelerator Laboratory, YouTube.

Devant l’absence de découvertes de nouvelles particules avec le LHC, il devient aussi de plus en plus difficile de convaincre les décideurs de débloquer des crédits pour se lancer dans des machines plus puissantes. En effet, cela est déjà assez complexe quand il s’agit de trouver des fonds pour compléter le budget de projets aux retombées pratiques directes, comme dans le domaine de la fusion contrôlée. Les choses changeraient si les accélérateurs pouvaient être miniaturisés et beaucoup moins chers.

C’est certainement avec ces considérations à l’esprit que les chercheurs du Slac ont entrepris les travaux qui les ont conduits à publier un article dans Nature sur un début de solution à ces problèmes. Comme l’apprécieront certainement les tenants de la théorie de la singularité comme Ray Kurzweil, les physiciens ont mobilisé la nanotechnologie pour graver une sorte de réseau sur un morceau de verre de quartz de la taille d’un grain de riz. Long d’environ un demi-millimètre, ce réseau est constitué de canaux de taille micrométrique. Comme l’explique la vidéo ci-dessus, la structure de ce réseau modifie les oscillations du champ électromagnétique d’un faisceau laser dans l’infrarouge. Le bilan net pour un électron voyageant à travers ces canaux est une accélération causée par les champs électriques oscillants de la lumière laser.


Comme l'explique cette vidéo, le réseau a été gravé sur le verre de quartz avec les techniques de gravure des puces en silicium. De vastes perspectives sont ainsi ouvertes, comme des appareils de radiographie portables ou des LHC miniatures. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître, si ce n'est pas déjà le cas. En passant simplement la souris sur le rectangle, vous devriez voir l'expression « Traduire les sous-titres ». Cliquez pour faire apparaître le menu du choix de la langue, choisissez « Français », puis cliquez sur « OK ». © Slac National Accelerator Laboratory, YouTube.

Dans leurs expériences, les physiciens sont arrivés à des taux d’accélération des électrons sur une longueur donnée équivalents à augmenter leur énergie de 300 MeV par mètre. Il pense pouvoir atteindre 1 GeV par mètre, ce qui veut dire qu’un Slac dans un futur proche pourrait bien n’avoir que 50 m de long.

Il faut toutefois garder à l’esprit que les électrons pénétrant dans le dispositif mis au point à Stanford sont déjà des électrons ayant presque atteint la vitesse de la lumière. Il faut donc un accélérateur de particules classique qui sert de source primaire. C’est souvent le cas avec les autres accélérateurs dans le monde, où un second étage d’accélération n’augmente pas tellement la vitesse des particules, mais les dote surtout d’une énergie bien plus élevée.

Gardons aussi à l’esprit que des accélérateurs de particules plus petits que ceux du Slac sont utilisés en médecine ou pour d’autres applications, notamment sous forme de synchrotrons. On aimerait bien pouvoir les miniaturiser au point de les rendre presque portables, ou pour le moins facilement constructibles pour des hôpitaux et à bas prix. Le dispositif miniaturisé du Slac ne permet donc pas encore de réaliser de telles choses. Il reste à miniaturiser l’accélérateur primaire.