Une avancée majeure a été réalisée dans le domaine des accélérateurs de particules, avec le développement d’un dispositif compact ultraperformant par des chercheurs de l’Université du Texas à Austin (UT). L’accès à des technologies permettant des applications concrètes telles que l’imagerie médicale et les thérapies contre le cancer est ainsi facilité.
Les accélérateurs de particules, outils essentiels dans la recherche scientifique et médicale, font face à un défi majeur : leur taille imposante et leur coût élevé limitent leur accessibilité. Cette problématique est sur le point d’être résolue par une équipe de l’Université du Texas à Austin, qui a développé un accélérateur de particules compact.
Ce dispositif, moins encombrant et plus abordable, pourrait faciliter l’utilisation des accélérateurs de particules dans divers domaines, de la physique des particules à la médecine, en passant par l’ingénierie des matériaux. Les travaux de l’équipe sont publiés dans la revue Matter and Radiation at Extremes.
Un bond technologique impressionnant
Nommé « accélérateur laser avancé à champ de sillage », le dispositif représente une avancée significative dans le domaine des accélérateurs de particules. Son fonctionnement repose sur un mécanisme innovant dans lequel un laser auxiliaire frappe de l’hélium. Le gaz est alors chauffé jusqu’à se transformer en plasma. Ce plasma, à son tour, génère des ondes.
Ces ondes possèdent la capacité de propulser les électrons à une vitesse et une énergie considérables, formant ainsi un faisceau d’électrons à haute énergie. Cette méthode se distingue des techniques traditionnellement utilisées dans les accélérateurs de particules plus volumineux, où la taille et la complexité des installations limitent leur efficacité et leur accessibilité.
Certes, cet accélérateur a été décrit pour la première fois en 1979, mais une équipe de recherche de l’Université du Texas, dirigée par Bjorn « Manuel » Hegelich, physicien et PDG de TAU Systems, a récemment introduit un élément clé : l’utilisation de nanoparticules métalliques. Ces nanoparticules sont injectées dans le plasma et jouent un rôle crucial dans l’augmentation de l’énergie des électrons au sein de l’onde de plasma. Cette technique permet d’obtenir un faisceau d’électrons non seulement plus puissant, mais aussi plus concentré et efficace.
Hegelich, dans un communiqué, fait une analogie surprenante pour expliquer ce principe : « Les wakesurfeurs se laissent entraîner par les bateaux ou les jet skis pour faire ce qu’ils font dans les vagues ». Il ajoute : « Dans notre accélérateur, les jet skis sont équivalents aux nanoparticules qui libèrent des électrons juste au bon moment. Nous introduisons beaucoup plus d’électrons dans l’onde quand et où nous voulons qu’ils soient, plutôt que de les répartir statistiquement sur l’ensemble de l’interaction, et c’est notre sauce secrète ».
Une technologie accessible ?
Pour leur expérience, les chercheurs ont utilisé l’un des lasers pulsés les plus puissants au monde, le Texas Petawatt Laser, hébergé à l’UT. Il émet une impulsion de lumière ultra-intense toutes les heures. Une seule impulsion laser pétawatt développe environ 1000 fois la puissance électrique installée aux États-Unis, mais n’est délivrée que durant 150 femtosecondes, soit moins d’un milliardième de la durée d’un éclair. L’énergie totale est donc très faible.
Cependant, l’objectif à long terme est de rendre ce système encore plus accessible et pratique. Pour cela, les chercheurs développent un laser plus compact, qui pourrait être utilisé de manière répétée et à une fréquence beaucoup plus élevée. Un tel laser, combiné à l’accélérateur compact, réduirait considérablement la taille, le coût et la complexité des installations nécessaires, rendant la technologie utilisable dans une gamme bien plus large et diversifiée de contextes scientifiques et industriels.
Des applications prometteuses
En premier lieu, cet accélérateur de particules innovant permettra de tester la résilience des composants électroniques destinés à l’espace face aux radiations, un enjeu crucial pour la durabilité et la sécurité des missions spatiales.
Le secteur de la microélectronique pourra également en bénéficier, notamment pour l’imagerie des structures 3D complexes des puces semi-conductrices. Cette capacité d’imagerie précise est essentielle pour le développement et la vérification des conceptions de puces de nouvelle génération.
Dans le domaine médical, l’accélérateur promet aussi des avancées, notamment dans le développement de techniques d’imagerie médicale de pointe et de thérapies innovantes contre le cancer, offrant ainsi de nouvelles possibilités de diagnostic et de traitement. Hegelich et son équipe ont déposé une demande de brevet pour le dispositif et leur méthode de génération de nanoparticules (dans une cellule à gaz). TAU Systems, une entreprise issue du laboratoire de Hegelich, détient une licence exclusive de l’université pour ce brevet fondamental.
L’électron est une particule élémentaire qui, avec les protons et
les neutrons, constitue les atomes. C’est donc l’un des composants
principaux de la matière baryonique. À ce titre, il revêt... [...]