Vers un accélérateur de particules plus compact et moins cher

Grâce à la technique d’accélération par sillage laser, ils vont pouvoir surfer pratiquement à la vitesse de la lumière sur une faible distance. Où prendre la déferlante ? Dans le nouvel accélérateur de particules conçu entre autres par le professeur Jean-Claude Kieffer du Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l’INRS à Varennes. Objectif ultime ? Générer une source de lumière cohérente dans les rayons X pour scruter le vivant.

De nos jours, les accélérateurs de particules de 4e génération comme ceux de Stanford aux États-Unis (SLAC : Stanford Linear Accelerator Center) ou de Hambourg en Allemagne (DESY : Deutsches Elektronen-Synchrotron) émettent déjà leur lumière au creux de la matière vivante afin d’en dévoiler les mystères. Mais il y a un hic, et de taille, puisque « ces deux installations gigantesques coûtent plus d’un milliard de dollars chacune et nécessitent des installations de 2 à 3 kilomètres de long », expose Jean-Claude Kieffer, titulaire de la Chaire de recherche du Canada en photonique ultrarapide appliquée aux matériaux et aux systèmes.

Derrière le projet de recherche canadien, l’idée est simple : mettre au point un accélérateur de particules, au coût de 10 à 20 millions de dollars, capable de tenir dans un espace réduit à 12 mètres. Pour relever ce défi technologique, l’arrimage d’expertises nationales s’avère incontournable.

L’équipe laser de l’INRS, formée de Jean-Claude Kieffer et de ses collègues Patrizio Antici et François Légaré, s’occupera de générer les électrons, tandis que leurs collègues du Centre canadien de rayonnement synchrotron (CLS) de l’Université de Saskatchewan se frotteront à la manipulation des particules. De la complémentarité des compétences naîtra un prototype dont la première démonstration est prévue à l’orée de 2015 : « Cela reste un grand LEGO à monter de toutes pièces en l’espace de deux ans », précise Jean-Claude Kieffer avec enthousiasme.

Des applications plein la tête

Pour réduire au maximum la taille des installations, l’équipe de l’INRS peaufinera sa maîtrise de la technique dite d’accélération par sillage laser. Explication : on envoie des flashs très brefs et ultrarapides de lumière laser – de l’ordre de quelques femtosecondes (10-15 secondes)– à travers un gaz. Ces flashs de lumière génèrent des ondes de densité d’électrons sur lesquelles le gaz navigue un peu comme un bateau à la surface de l’eau. Les puissants champs électriques qui en résultent permettent en retour d’accélérer les électrons sur de très courtes distances et à une vitesse proche de celle de la lumière.

[ Image obtenue lors d’expériences effectuées par l’équipe laser de l’INRS. Elle montre le faisceau se propageant (de gauche à droite) et les électrons accélérés constituent la partie la plus brillante ]

Le laser à électron libre femtoseconde que développera l’équipe de recherche canadienne sera abordable et applicable à l’échelle nationale dans les unités de recherche universitaire, ce qui est impensable avec les accélérateurs de particules actuels. Par contre, le gain d’espace promis aura un prix : « On perdra en brillance, c’est-à-dire la densité de photons produite, et donc notre capacité à sonder la matière, sera moins importante que celle offerte par des accélérateurs de particules linéaires », explique Jean-Claude Kieffer.

Qu’importe, l’équipe canadienne a des visées différentes et bien précises. Dans le futur, le laser à électron libre femtoseconde pourrait compléter l’arsenal de la recherche pharmaceutique en facilitant l’observation de la structure et du comportement dynamique de molécules comme les protéines. Ce laser de 5e génération rendra possible, grâce à une source de rayonnement X cohérente et courte, la décomposition des mouvements d’un phénomène éphémère avec une précision chirurgicale, comme un obturateur photographique ultrarapide. De quoi élucider le fonctionnement des médicaments et en optimiser l’efficacité.

Au-delà de la concurrence

Dans cette course technologique, les équipes conjuguées de l’INRS et du CLS ne sont pas seules. En effet, le projet Lunex5 mené par le synchrotron SOLEIL en France et le projet BELLA américain opéré par le Lawrence Berkeley National Laboratory poursuivent les mêmes objectifs bien que les équipements et la configuration des installations ne soient pas les mêmes. De plus, le projet BELLA bénéficie de l’appui de 40 professionnels, alors que le projet canadien fédèrera une dizaine de chercheurs. Les forces jetées dans la bataille ne se comparent pas.

Néanmoins, « la mise en contact des communautés laser (INRS) et synchrotron (CLS), auparavant isolées, a offert un terreau fertile à des échanges scientifiques durables. À terme, notre prototype pourrait être monté dans le synchrotron canadien ou utilisé à des fins d’applications biomédicales au Centre INRS–Institut Armand-Frappier », confie Jean-Claude Kieffer.