Publié le 15 novembre 2023. Des rayons X médicaux aux puces électroniques, les accélérateurs de particules sont au cœur de nombreuses technologies modernes. Un nouvel ouvrage publié par le CSIC explore l’histoire et les applications de ces machines complexes, essentielles à la recherche et à la vie quotidienne.
- Les accélérateurs de particules sont utilisés dans plus de 97 % des applications commerciales, dont la radiothérapie pour le traitement du cancer.
- L’Espagne se positionne comme un acteur majeur dans le domaine des accélérateurs, avec des infrastructures de pointe comme le synchrotron ALBA.
- Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, le plus grand accélérateur de particules au monde, a permis la confirmation du boson de Higgs en 2012.
Les accélérateurs de particules, dispositifs capables de générer, d’accélérer et de confiner des faisceaux de particules chargées, sont bien plus présents dans notre quotidien qu’on ne le pense. Ils sont indispensables à la compréhension de la structure de la matière et ont trouvé des applications dans des domaines aussi variés que la médecine, l’industrie et la sécurité.
Pour faire le point sur ces technologies, le Conseil supérieur de la recherche scientifique (CSIC) a publié un nouvel ouvrage intitulé « Accélérateurs de particules. Du laboratoire à la société », le 169e volume de la collection Que sait-on ? (CSIC-Cataracte). L’ouvrage propose un voyage à travers l’évolution de ces machines, leurs principes de fonctionnement et leurs multiples applications.
Nuria Fuster et Daniel Espérante, chercheurs à l’Institut de Physique Corpusculaire (IFIC-CSIC-UV), sont les auteurs de ce livre accessible. Ils expliquent que l’histoire des accélérateurs de particules témoigne de la curiosité humaine et de la persévérance scientifique.
« Grâce aux progrès technologiques dans la construction d’accélérateurs, il a été possible de mieux comprendre l’univers à des niveaux subatomiques et de répondre à des questions fondamentales sur la matière, l’énergie et les forces fondamentales qui gouvernent le cosmos. »
Nuria Fuster et Daniel Espérante, chercheurs à l’IFIC-CSIC-UV
Ils soulignent également leur impact sur la vie quotidienne : « De même, ils ont influencé de nombreux aspects de la vie quotidienne, depuis les soins médicaux avancés jusqu’à la technologie de pointe et la sécurité alimentaire. »
Les composants essentiels d’un accélérateur
Selon les auteurs, le secret des accélérateurs de particules réside dans leur capacité à concentrer l’énergie dans des espaces minuscules de manière contrôlée. Pour générer, propulser et guider les particules, une expertise en physique et en ingénierie est nécessaire. Bien que leur forme et leur taille varient considérablement (de quelques mètres à plusieurs kilomètres de long), tous les accélérateurs partagent quatre composants principaux : une source de particules, des tubes à vide, et des générateurs de champs électriques et magnétiques.
Les particules sont créées dans la source, puis injectées dans des tubes à vide, conçus pour minimiser les collisions avec les molécules d’air. Ces tubes maintiennent un vide extrême, proche de celui de l’espace. Des champs électriques et magnétiques soigneusement calibrés guident, regroupent et ajustent les propriétés des particules.
« Les particules sont poussées jusqu’à un point où elles rencontreront d’autres particules, si nous sommes dans une expérience de physique des particules, un bloc de matériau, si l’expérience est en physique nucléaire, ou un patient pour appliquer un traitement de radiothérapie, si nous sommes dans un hôpital », expliquent Fuster et Espérante.
Du cyclotron au LHC
L’histoire des accélérateurs de particules remonte à la fin du XIXe siècle, avec les premières explorations des constituants fondamentaux de la matière. En 1930, le physicien américain Ernest O. Lawrence et son étudiant Milton Stanley ont développé le premier cyclotron, un appareil de 10 cm de diamètre fonctionnant grâce à des champs magnétiques et électriques qui forcent les particules chargées à suivre une trajectoire en spirale. Parallèlement, des recherches ont été menées sur les accélérateurs linéaires, dans lesquels les particules sont accélérées en ligne droite par des champs électriques alternants.
Au cours du XXe siècle, la nécessité d’accélérateurs plus puissants est devenue évidente. La construction de l’Accélérateur linéaire de Stanford (SLAC) dans les années 1960 et du Tévatron au Laboratoire Fermi (Chicago) en 1983 ont permis d’étudier les particules subatomiques avec des énergies sans précédent, conduisant à des découvertes majeures, comme l’observation des quarks, les constituants des protons et des neutrons.
Au XXIe siècle, le Grand collisionneur électron-positron (LEP) au CERN, à Genève (Suisse), est devenu le plus grand accélérateur de particules au monde, avec une circonférence de 27 km. Il a ensuite été remplacé par le Grand collisionneur de hadrons (LHC), le plus puissant à ce jour. Sa mise en service en 2008 a marqué une étape décisive dans la physique des particules, avec la confirmation du boson de Higgs en 2012, une particule fondamentale expliquant l’origine de la masse.
Aujourd’hui, le LHC continue de battre des records d’énergie et de performances. Ses quatre détecteurs collectent une quantité de données colossale : « si nous les stockons dans des ordinateurs portables de 256 Go, nous pourrions faire une tour d’environ 1 000 mètres de haut, ou peut-être plus approprié à notre époque, ces données correspondent à la lecture non-stop de vidéos TikTok pendant plus de 10 000 ans », illustrent les auteurs.
Une révolution médicale
Selon l’Agence internationale de l’énergie atomique (AIEA), plus de 30 000 accélérateurs sont utilisés dans le monde, dont plus de 97 % à des fins commerciales. Les applications médicales représentent environ 45 à 50 % de ces utilisations. Les techniques thérapeutiques et diagnostiques basées sur les accélérateurs jouent un rôle crucial dans la détection et le traitement des cancers complexes, et contribuent à la compréhension du fonctionnement d’organes clés et des maladies neurodégénératives.
En 1953, un patient a été traité pour la première fois avec un accélérateur de particules linéaire produisant un faisceau de rayons X, marquant une avancée majeure vers une radiothérapie plus précise et moins dommageable pour les tissus sains.
La radiothérapie par rayons X est aujourd’hui la technique la plus courante pour traiter le cancer. Les faisceaux sont ajustés pour épouser la forme exacte de la tumeur, et peuvent même être utilisés après une intervention chirurgicale pour éliminer les cellules cancéreuses résiduelles. D’autres techniques utilisent directement des faisceaux de particules chargées pour une plus grande précision, comme l’hadronthérapie, qui permet d’attaquer les tumeurs sans endommager les tissus sains environnants, tels que la moelle épinière.
Les accélérateurs sont également utilisés pour générer des images de tissus, créant des « pinceaux invisibles » qui révèlent des tumeurs cachées ou des lésions d’organes.
Applications industrielles
Les faisceaux de particules générés par les accélérateurs trouvent également des applications importantes dans l’industrie, grâce à leur précision, leur sensibilité et leur caractère généralement non invasif. Ils sont utilisés dans la fabrication de nanotechnologies, la stérilisation de dispositifs médicaux (implants, instruments chirurgicaux) et les contrôles de sécurité aux douanes et dans les aéroports pour détecter les substances dangereuses ou illégales.
Dans le domaine environnemental, ils peuvent être utilisés pour traiter les eaux usées et éliminer les contaminants organiques. En Corée du Sud, un accélérateur de grande puissance a été utilisé dans une station d’épuration pour traiter jusqu’à 10 000 mètres cubes d’eau industrielle par jour, avec une efficacité remarquable.
Vers des accélérateurs plus puissants et plus compacts
Les chercheurs continuent de travailler sur le développement de nouveaux accélérateurs, à la fois plus puissants et plus compacts. L’objectif est de répondre à des questions fondamentales sur l’univers (asymétrie matière-antimatière, matière noire, énergie noire) et de faciliter les applications médicales et industrielles.
En Espagne, le pays est passé d’un statut d’utilisateur à celui de fournisseur d’infrastructures stratégiques en seulement 30 ans. Le synchrotron ALBA de Cerdanyola del Vallès (Barcelone), le futur ALBA II et l’installation internationale de recherche IFMIF-DONES devraient renforcer la position de l’Espagne à l’avant-garde européenne des sources de photons et de neutrons, des outils essentiels pour la science et l’industrie du XXIe siècle.
« Accélérateurs de particules. Du laboratoire à la société » est le 169e volume de la collection Que sait-on ? (CSIC-Cataracte). Pour toute demande d’interview ou d’informations complémentaires, veuillez contacter : comunicació[email protected] (91 568 14 77).
À propos des auteurs
Nuria Fuster Martínez est titulaire d’un doctorat en physique de l’Université de Valence et chercheuse CDEIGENT de la Generalitat Valenciana à l’IFIC de Valence (CSIC-UV). Elle a travaillé dans différents accélérateurs internationaux, dont le Grand collisionneur de hadrons (LHC) en Suisse et l’Accelerator Test Facility (ATF) au Japon, ainsi que dans des collaborations internationales d’accélérateurs telles que CLIC/ILC et le HL-LHC.
Daniel Espérante Pereira est ingénieur en Télécommunications, docteur en Physique et chercheur scientifique au CSIC de l’IFIC de Valence (CSIC-UV). Il a travaillé pendant des années au CERN sur des expériences telles que LHCb et dans des collaborations internationales de futurs collisionneurs tels que CLIC et ILC.
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