Sur la physique des particules

Un physicien des particules du CERN parcourt l’histoire et la science de la physique des particules et explique pourquoi vous devriez vous en préoccuper, même à l’extérieur du laboratoire.
Tout ce que nous pouvons voir et toucher est constitué de particules, les éléments de base de la nature. Les particules comme les protons, les neutrons et les électrons composent les atomes de l’ordinateur ou du téléphone que vous touchez en ce moment. Les photons sont responsables de la lueur émise par l’écran. Ces mêmes photons, lorsqu’ils sont produits par le Soleil, sont responsables de la lumière qui brille dans le ciel.

La physique des particules est la branche de la science qui étudie la nature et le comportement de ces particules. C’est l’un des domaines de la recherche fondamentale : une recherche qui cherche à explorer et à expliquer la nature à son essence. Comprendre comment les particules interagissent peut éclairer les mécanismes les plus intimes de notre univers. Nous pouvons étudier comment le big bang a donné naissance à la matière, comment les étoiles se comportent, comment les rayons cosmiques voyagent des étoiles lointaines vers notre Terre, et comment l’univers lui-même évolue.

Les domaines de la recherche fondamentale explorent la structure et le comportement de l’univers pour l’avancement de la connaissance humaine, mais cela ne veut pas dire qu’ils n’ont pas d’applications pratiques qui affectent la vie des gens. Les disciplines qui mènent des recherches fondamentales forment la base d’une pyramide des connaissances : leurs découvertes servent de base à des applications pratiques développées par d’autres disciplines. Les retombées de la recherche et les collaborations entre les chercheurs et l’industrie permettent de poursuivre le développement de nouvelles applications, qui changent parfois le monde.

Partie 01
La science de la physique des particules

Le philosophe grec Démocrite, qui, au IVe siècle av. J.-C., a inventé le terme « atomes » – un « a » privatif suivi de « tomos »/ »coupé » – pour la plus petite partie indivisible de quelque chose.


Depuis l’Antiquité, les gens se demandent de quoi étaient composés les objets qui les entouraient. Vers le IVe siècle avant J.-C., le philosophe grec Démocrite a inventé le terme « atomes » pour désigner la plus petite partie indivisible de quelque chose – mais son concept a été abandonné pendant des centaines d’années, et il n’a été relancé qu’au début du XIXe siècle, lorsque le chimiste et physicien anglais John Dalton a proposé une théorie atomique de la matière. Après avoir confirmé sa théorie par des expériences sur les gaz, d’autres physiciens ont commencé à étudier la structure de la matière à une plus petite échelle, découvrant une sous-structure complexe. Aujourd’hui, nous savons que l’atome moderne n’est ni le plus petit composant de la matière, ni indivisible.

Différents matériaux sont constitués d’atomes différents. La façon dont ces atomes s’organisent détermine les propriétés d’un matériau. En d’autres termes, c’est de la chimie. Si nous examinions de près l’un de ces atomes, nous verrions de nombreux électrons occuper l’espace autour d’un noyau minuscule mais lourd ; les interactions de ces atomes, et la façon dont ils se lient entre eux, font l’objet d’un domaine appelé physique de la matière condensée. Le noyau lui-même est composé de composants plus petits appelés protons et neutrons ; l’étude de ceux-ci et des forces agissant entre eux est ce que la physique nucléaire aborde.

En allant plus loin, on constate que des éléments encore plus petits composent les protons et les neutrons. C’est ce qu’on appelle les quarks. Jusqu’à présent, nous ne pouvons pas diviser les quarks ou les électrons en éléments plus petits. Nous supposons actuellement qu’il s’agit là des éléments de base de la nature – les éléments fondamentaux de toute matière. L’étude de ces objets extrêmement minuscules et des forces qui les lient est la physique subnucléaire, également appelée physique des particules.

Les forces fondamentales

L’une des grandes réalisations de la physique est l’identification de quatre forces fondamentales qui forment la base de toutes les autres forces et interactions que nous voyons dans notre univers.

Les forces de base sont la gravité, qui nous empêche de dériver dans le ciel et lie les planètes et les galaxies entre elles ; la force électromagnétique, qui régit le flux d’électricité à travers un câble, le magnétisme qui pousse l’aiguille d’une boussole et la lumière qui éclaire la nuit ; et les forces nucléaires faibles et fortes, qui agissent au niveau atomique et nucléaire. La faible force nucléaire est responsable de la radioactivité et d’environ la moitié de la chaleur produite dans le noyau terrestre. La force nucléaire forte lie les noyaux des atomes entre eux, donnant à la matière une forme stable – sans elle, nous ne serions pas ici en ce moment !

Nous savons aujourd’hui que les trois dernières forces énumérées sont réalisées par des particules : le photon immatériel et sans masse est le porteur de la force électromagnétique ; deux particules, connues par les physiciens comme « W » et « Z », exercent la faible force nucléaire ; et la particule appelée gluon est le porteur de la forte force nucléaire. L’étude de ces éléments de base et de ces forces permet de comprendre les mécanismes les plus profonds qui gouvernent l’univers.

Sources naturelles de particules

À la fin du XIXe siècle, J.J. Thomson découvre la première particule fondamentale : l’électron. La découverte de l’électron marque le début de la physique des particules. Au début du XXe siècle, les scientifiques ont observé que les particules ne faisaient pas seulement partie de la structure de la matière, mais qu’elles étaient aussi produites par des phénomènes naturels. Les premières expériences en physique des particules ont porté sur les particules produites naturellement, et de nombreuses particules ont été découvertes de cette façon, par exemple le positron et le muon.

Les éléments radioactifs ont des structures instables qui les amènent à émettre spontanément des particules comme sous-produits de leur réajustement interne. L’un des plus connus est l’uranium, un combustible courant pour les centrales nucléaires. Les horlogers utilisaient autrefois le radium et le tritium pour faire briller le phosphore dans leurs aiguilles d’horloge phosphorescentes. Différents atomes radioactifs émettent différents types de particules, y compris des électrons, des photons et des particules alpha (deux protons et deux neutrons liés ensemble). Les éléments radioactifs sont naturellement présents en petites quantités dans le sol et ont fait l’objet d’études par des pionniers de la physique des particules tels que Henri Becquerel et Marie Curie.

Les particules du cosmos frappent continuellement notre planète et frappent les atomes de la haute atmosphère terrestre, produisant des particules supplémentaires. Ces particules sont appelées rayons cosmiques. Parmi eux, on trouve des photons et des électrons, mais aussi des muons-une sorte d’électron lourd-et des positrons, l’antimatière équivalente de l’électron. Les particules produites lors des collisions se déplacent vers la surface de la planète. Bon nombre d’entre elles sont prises au piège lors de collisions subséquentes, certaines atteignent le sol et d’autres continuent de voyager sans être dérangées. Les rayons cosmiques sont inoffensifs pour nous : l’humanité a évolué dans cet environnement et le corps humain est habitué à ces averses de particules.

Observation et étude des particules

Les particules sont les plus petits objets connus de l’univers et sont intangibles comme la lumière. Alors comment les scientifiques peuvent-ils les observer, les étudier et les manipuler ? Les particules ne sont pas vraiment visibles, car voir quelque chose implique d’envoyer un faisceau de lumière visible vers un objet et d’observer la lumière qui rebondit en arrière. Mais les particules sont si petites qu’aucune lumière visible ne revient, même avec les microscopes les plus puissants. Nous devons trouver d’autres moyens de « voir » les particules.

Toutes les particules se comportent différemment lorsqu’elles traversent la matière. Les électrons et les photons perdent rapidement leur énergie en entrant en collision avec d’autres atomes matériels jusqu’à ce qu’ils soient piégés. Les protons traversent la matière presque inaperçus jusqu’à ce qu’ils soient proches de la fin de leur voyage, quand ils perdent toute leur énergie dans un éclat et s’arrêtent immédiatement.

Les muons, par contre, peuvent traverser des couches et des couches de n’importe quel matériau, même des centaines de mètres de roche solide, sans perdre une grande partie de leur énergie. Les scientifiques construisent des laboratoires, comme le laboratoire du Gran Sasso en Italie, dans les profondeurs des montagnes pour protéger les expériences sensibles des muons cosmiques. Les neutrinos, une autre particule fondamentale, interagissent extrêmement faiblement avec tous les autres objets : ils peuvent traverser des planètes entières sans s’arrêter.

 

Le Laboratori Nazionali del Gran Sasso est le plus grand centre de recherche souterrain du monde. Il a été construit sous le Gran Sasso, la plus haute montagne des Appennini italiennes. Des milliers de mètres ou de roches protègent les expériences menées sous terre de la plupart des effets des rayons cosmiques.

Les physiciens utilisent ces différents comportements pour développer des détecteurs qui captent et mesurent chaque type de particules. Lorsqu’une particule traverse un matériau, elle laisse derrière elle une certaine quantité d’énergie. Cette énergie est collectée et transférée à une interface électronique qui visualise le passage d’une particule. En superposant différents détecteurs, les physiciens peuvent reconstruire les trajectoires des particules et, dans certaines circonstances, mesurer l’énergie exacte d’une particule.

De nombreuses particules ont une charge électrique. Une particule chargée se comporte comme l’aiguille d’une boussole près d’un aimant : elle pointe vers un des pôles de l’aimant. Les particules chargées, comme les électrons ou les protons, sont influencées par les champs électromagnétiques. Un champ électrique peut être utilisé pour pousser les particules chargées vers l’avant, tandis qu’un champ magnétique peut faire bouger une particule d’un côté ou de l’autre, selon la charge de la particule.

En 1933, Carl Anderson découvre le positron, un électron à charge positive. La découverte a prouvé l’existence de l’antimatière.

En 1933, alors qu’il photographiait les rayons cosmiques à l’aide d’une chambre de Wilson ou chambre à brouillard, Carl Anderson a photographié une particule passant à travers un film mince d’émulsion photographique. La particule s’est comportée presque exactement comme un électron, à l’exception de la façon dont un champ magnétique autour du film a courbé sa trajectoire. Si cela avait été un électron, l’aimant aurait plié le chemin dans la direction opposée. Anderson avait la preuve que cette particule n’était pas un électron. Ce qu’il a observé était un positron, l’antiélectron, et la première preuve de l’existence de l’antimatière.

Accélérer les particules

Les champs électromagnétiques influencent la vitesse et la trajectoire des particules chargées. Un champ électromagnétique peut toujours être divisé en deux composantes distinctes : un champ électrique et un champ magnétique. La force exercée par le champ sur une particule chargée est appelée force de Lorentz :


Dans la formule ci-dessus, q est la charge de la particule et v sa vitesse, E est le champ électrique et B est le champ magnétique. Pour un champ électrique et magnétique donné, la particule subit une force F du champ en fonction de sa charge et de sa vitesse. Mais si nous pouvions contrôler les champs E et B ?

En réécrivant la formule pour isoler la vitesse de la particule, nous trouvons ceci :

L’expression décrit la vitesse d’une particule, v, étant donné la différence de potentiel d’un champ électrique. Cela signifie que la création d’une grande différence de tension augmente la vitesse d’une particule chargée.

La particule dans le diagramme a été considérablement ralentie. En réalité, la particule s’envolerait instantanément hors de la page, puisqu’un électron mis dans un petit accélérateur (disons de 10 mètres) et poussé par un champ électrique (disons de 100 Volts), sera accéléré à une vitesse d’environ 6 millions de mètres par seconde, soit près de 22 millions km/h ! Cette vitesse, bien qu’elle soit rapide en soi, est encore beaucoup plus lente que la vitesse de la lumière – la vitesse la plus rapide possible dans la nature, d’après ce que nous savons actuellement -, qui est d’environ 1 milliard de km/h !
Notez également combien d’énergie supplémentaire est nécessaire pour pousser un proton, qui a la même charge électrique qu’un électron, mais contient une masse beaucoup plus élevée. Vous devez choisir le réglage de tension le plus élevé pour le faire bouger !

Si l’on réécrit plutôt la formule pour isoler le rayon de courbure de sa trajectoire, on trouve une description du rayon de courbure de la trajectoire d’une particule, r, étant donné la vitesse de la particule et l’intensité du champ magnétique :

Signifie qu’un champ magnétique peut être utilisé pour diriger le chemin d’une particule chargée.

En réalité, ce processus est beaucoup plus compliqué. Différents types de modules d’accélération sont utilisés pour pousser différents types de particules, et de nombreux types d’aimants (dipôles, quadrupôles, sextuples, etc.) sont utilisés pour plier, comprimer et focaliser les faisceaux de particules chargées afin de maximiser leur intensité (comme on le voit dans les accélérateurs utilisés en médecine ou dans l’industrie) ou leur nombre de collisions (comme les accélérateurs utilisés pour les expériences physiques).

En utilisant ces deux principes, les physiciens ont commencé à construire des accélérateurs de particules. En utilisant les modules d’accélération les uns après les autres, nous pouvons construire des accélérateurs linéaires où l’énergie que ces accélérateurs peuvent produire est régie par leur longueur. En combinant des modules d’accélération et de flexion, nous pouvons construire des accélérateurs circulaires, dans lesquels les particules sont injectées et forcées à se déplacer sur un trajet circulaire. Chaque fois qu’une particule circule, elle est accélérée. Après un nombre donné de cycles, les particules atteignent leur énergie maximale et peuvent être utilisées pour des expériences.

Les accélérateurs circulaires peuvent être divisés en deux groupes principaux : les cyclotrons, qui furent les premiers à être inventés vers 1930, et les synchrotrons. Le premier peut être vu dans les hôpitaux aujourd’hui. Ces derniers sont utilisés dans des machines pour la recherche de pointe en physique des particules, comme le Grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN.

Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, le plus puissant collisionneur de particules au monde, accélère les particules et accroît leur énergie grâce à des cavités radiofréquence et à un anneau de 27 kilomètres d’aimants supraconducteurs.

Les physiciens ont conçu des accélérateurs pour étudier les caractéristiques de base des particules, mais il est rapidement devenu évident qu’ils pouvaient avoir de nombreuses autres applications scientifiques et industrielles. Par exemple, les vieux téléviseurs étaient entraînés par des tubes cathodiques, qui ne sont rien de plus que des accélérateurs de particules compacts !

Les électrons sont produits et soumis à un champ électrique, ce qui les fait voler vers une certaine extrémité du tube. Cette extrémité est recouverte d’une couche de matière phosphorescente qui devient luminescente lorsqu’elle est frappée par des électrons. La trajectoire des électrons est courbée par un champ magnétique variable qui force les électrons à frapper l’écran luminescent en différents points. En modulant l’intensité du champ magnétique, le faisceau d’électrons peint une image à l’écran.

Usines de particules

Jusqu’à présent, nous avons parlé des particules produites dans des sources naturelles, mais il y a beaucoup plus de phénomènes naturels impliquant des particules. Tous les phénomènes fondamentaux impliquant la force électromagnétique, par exemple, dépendent des caractéristiques des électrons et des photons – la particule élémentaire qui est responsable de la lumière. La stabilité des atomes, qui composent toute la matière, dépend de l’interaction entre deux particules fondamentales : les quarks et les gluons. Ces particules ont été découvertes respectivement au laboratoire SLAC (États-Unis) à la fin des années 1960 et au laboratoire DESY (Allemagne) en 1979. Le mécanisme de désintégration radioactive – qui se produit dans les noyaux des étoiles et des planètes comme la Terre – est déterminé par le comportement des particules W et Z, découvertes au CERN en 1983.

De nombreux mécanismes fondamentaux de l’univers dépendent de particules que nous n’avons pas encore découvertes. Cela soulève un certain nombre de questions intéressantes pour les physiciens modernes. Par exemple, comment l’univers s’est-il formé ? Au début des temps, en une fraction de seconde, les quarks et les gluons rebondissaient et se brisaient, interagissant et se recombinant jusqu’à créer le premier aperçu de la matière que nous voyons aujourd’hui. Et quelle particule, s’il y en a, se trouve derrière la matière noire, qui compose environ 25 % de l’énergie totale de notre univers ? La gravité est-elle portée par une particule comme les autres forces fondamentales ? Et comment les rayons cosmiques de haute énergie qui frappent notre planète sont-ils générés, s’il n’y a pas de sources connues pour eux près de la Terre ?

Pour répondre à ces questions, et à d’autres qui ne sont pas encore posées, nous avons besoin de particules interagissant à des énergies beaucoup plus élevées et avec un flux beaucoup plus élevé que ceux que nous pouvons obtenir de sources naturelles comme les éléments radioactifs ou les rayons cosmiques. Pour progresser, nous aurions besoin d’usines de particules sur mesure, pour créer de grands flux de particules à l’énergie souhaitée pour étudier les interactions et les effets. C’est là qu’Einstein intervient.

En 1905, Albert Einstein propose une théorie sur l’équivalence de la masse et de l’énergie. Contenu dans la formule bien connue
Selon sa théorie, un objet a une certaine quantité d’énergie en fonction de sa masse, même au repos. Inversement, si nous créons la quantité exacte d’énergie qui correspond à la masse d’une particule spécifique, nous pouvons alors créer cette particule et l’étudier. Les collisionneurs de particules modernes sont conçus pour cela : ils accélèrent les particules jusqu’aux vitesses les plus élevées possibles et les font entrer en collision. L’énergie impliquée dans l’impact est utilisée pour créer de nouvelles particules qui sont captées par des détecteurs et étudiées.

Les particules créées dans les collisionneurs ne doivent pas être considérées comme artificielles : elles se trouvent naturellement dans des conditions spécifiques à d’autres endroits, comme les étoiles, ou confinées dans des objets microscopiques, comme le noyau des atomes. À l’aide de collisionneurs de particules, nous créons simplement les conditions propices à leur observation en laboratoire. Bien que les accélérateurs de particules d’aujourd’hui soient impressionnants, ils ne se comparent pas aux accélérateurs de particules naturels que l’on trouve dans l’espace. Les rayons cosmiques provenant de l’extérieur de la Voie lactée créent beaucoup plus de collisions énergétiques dans la haute atmosphère terrestre que nos collisionneurs les plus puissants.

Mener des expériences sur les particules

Dans un collisionneur circulaire, deux faisceaux de particules accélérées s’entrechoquent à un point de collision. De l’énergie de cette collision naissent de nouvelles particules que les physiciens peuvent capter et mesurer. En identifiant et en mesurant ces particules, les physiciens peuvent déduire comment elles ont été générées. Pour cela, les expériences de physique des particules utilisent plusieurs couches de différents types de détecteurs placés autour du point de collision, puisque différentes particules nécessitent des détecteurs différents (différentes particules agissent différemment lorsqu’elles se déplacent dans la matière !)

Detect a particle and measure its trajectory
By measuring the curve taken by the charged particle in the magnetic field we can infer its energy.

Dans la visualisation simplifiée ci-dessus, trois couches de détecteurs sont placées l’une après l’autre. Un champ magnétique imprègne l’espace qui les entoure. Lorsqu’une particule chargée arrive, le champ magnétique courbe sa trajectoire, comme on l’a vu plus haut, et la fait traverser les trois détecteurs à des positions différentes. Les détecteurs enregistrent le passage de la particule et envoient l’information aux ordinateurs qui traitent les données expérimentales. À partir de ces données, les scientifiques peuvent reconstruire la trajectoire de la particule dans l’expérience et, en connaissant la force du champ magnétique, l’énergie de la particule.

Les expériences modernes de physique des particules peuvent être très importantes en raison de la quantité d’énergie nécessaire pour fracasser les particules ensemble. Lorsqu’une collision se produit, de nombreuses nouvelles particules sont créées qui se déplacent vers l’extérieur de la collision à des vitesses extrêmement rapides dans toutes les directions. Pour capturer et mesurer correctement ces particules, les scientifiques utilisent des couches de détecteurs et d’aimants placés autour du point de collision, afin qu’ils puissent reconstruire la trajectoire des particules après la collision pour analyse.

Les expériences de physique des particules peuvent être gigantesques ! Pour bien capter et mesurer les particules énergétiques, les scientifiques utilisent plusieurs couches de différents détecteurs de particules ensemble. L’expérience ATLAS sur le LHC du CERN est la plus grande expérience jamais réalisée. Avec ses 25 mètres (82 pieds) de diamètre, 46 mètres (150 pieds) de longueur, soit la hauteur de la statue de la Liberté, et près de 100 millions de canaux de données, c’est l’une des machines les plus complexes et précises jamais construites. Sur la photo, prise pendant la construction de l’expérience, on peut voir le grand aimant extérieur du détecteur ATLAS. Avez-vous remarqué la personne au bas de la photo ?

En réalité, de nombreuses collisions se produisent et génèrent des particules. Le LHC, par exemple, écrase des particules toutes les 25 nanosecondes, produisant environ 40 millions de collisions par seconde ! Dans chaque collision, des milliers de particules sont produites à partir de nombreux phénomènes sous-jacents différents. Le travail des physiciens des particules expérimentales concerne la conception et le développement de systèmes matériels et logiciels sur mesure pour acquérir et filtrer efficacement les données issues de ces collisions. Grâce à ces données, ils peuvent identifier et mesurer les caractéristiques des particules et, en fin de compte, en apprendre davantage sur les mécanismes sous-jacents qui les génèrent.

Partie 02
Physique des particules dans la société

Les accélérateurs de particules comme ceux du CERN et de Fermilab sont conçus et construits pour la recherche scientifique de pointe, mais il en existe de nombreux autres qui sont utilisés pour des applications très différentes et pratiques. Sans vous en rendre compte, vous avez peut-être déjà interagi avec des accélérateurs de particules et des détecteurs de particules. Par exemple, si vous avez déjà subi une radiographie dentaire ou une TEP, vous avez fait l’expérience d’une version compacte d’un accélérateur de particules et de détecteurs.

Il y a environ 30 000 accélérateurs de particules dans le monde aujourd’hui, dont près de la moitié sont utilisés en médecine dans des applications comme la radiothérapie, l’imagerie par rayons X et la thérapie par particules. Certains sont utilisés à d’autres fins, comme la production de semi-conducteurs. En fait, seulement 1% de tous les accélérateurs de particules utilisés aujourd’hui sont utilisés pour la recherche fondamentale.

De nombreuses technologies que nous utilisons couramment aujourd’hui sont le résultat de retombées de la recherche en physique des particules. Ces sous-produits ont été développés pour construire et réaliser des expériences ou pour soutenir les activités de la communauté de la physique des particules. Les scanners médicaux utilisés dans les hôpitaux et le World Wide Web en sont deux exemples éloquents. Les deux sont des produits indirects de la recherche fondamentale menée par des physiciens des particules dans le cadre de leurs recherches primaires.

Médecine

La physique des particules et la médecine ont une longue histoire, qui remonte à certaines des premières expériences de physique des particules que nous ayons menées : l’observation des particules qui interagissent avec notre corps. Des milliers de particules de faible énergie frappent notre peau chaque seconde sans que nous nous en rendions compte. Notre peau agit comme une barrière et est assez forte pour arrêter les particules, protégeant ultimement nos organes internes. Mais des particules plus énergétiques peuvent traverser notre corps. C’est ce qu’ont observé les premiers expérimentateurs qui ont vu les effets des particules énergétiques se déplacer dans leurs mains et leur corps lors de la mise en place d’appareils expérimentaux. Cette découverte a donné lieu à des centaines de nouvelles expériences en médecine, dont les résultats sont encore utilisés aujourd’hui pour de nombreuses techniques de diagnostic, comme les radiographies et les tomodensitogrammes.

Ce que ces pionniers ne savaient pas, cependant, c’est que les particules énergétiques libèrent leur énergie au cours de leur passage dans notre corps et produisent différents effets biologiques dans les tissus et organes qu’elles traversent. Si elles ne sont pas correctement contrôlées, les particules énergétiques qui traversent un organe peuvent être très dangereuses. Mais, si elles sont contrôlées et bien calibrées, ces techniques permettent de visualiser des organes malades ou de guérir des tumeurs malignes là où la chirurgie traditionnelle ne le permet pas.

Aujourd’hui, la physique médicale est une branche de recherche indépendante, qui étudie, citant le physicien Marco Silari du CERN, « l’application des techniques physiques à la santé humaine ».

Images radiographiques

Beaucoup de gens obtiennent une radiographie – cette image en noir et blanc d’os ou d’autres organes – au moins une fois dans leur vie, peut-être pour confirmer une fracture ou pour examiner leur santé dentaire. L’imagerie radiographique, mieux connue sous le nom de rayons X, est une application directe de ce qui a été découvert lors des premières expériences en physique des particules.

En 1895, le physicien allemand Wilhelm Röntgen découvrit les rayons X (où le « X » signifie « inconnu », du nom de ses origines mystérieuses). Il les découvrit en expérimentant avec un tube Crookes : le précurseur du tube cathodique utilisé dans les téléviseurs. Röntgen a remarqué un halo luminescent dans l’écran fluorescent loin du tube, même lorsque des livres épais et une mince plaque métallique étaient placés entre eux.

Dans de nombreuses langues, les rayons X sont appelés « rayons Röntgen », du nom du scientifique allemand Wilhelm Röntgen qui, le 8 novembre 1895, a produit et détecté des rayons X. En 1901, cela lui a valu le premier prix Nobel de physique.
Röntgen s’est rendu compte que ces rayons (qui ont été découverts plus tard pour être des photons d’une certaine énergie) ont été absorbés différemment par différents matériaux. En plaçant une plaque photographique derrière l’objet à tester, il a pu observer le niveau d’obscurité de l’image résultante en fonction de la quantité d’énergie que les particules ont laissé dans l’objet. Peu de temps après, Röntgen a eu un moment « Eureka ! » quand il s’est rendu compte que les nouveaux rayons X pouvaient aussi passer à travers le corps humain, produisant une image de ce qu’il y avait à l’intérieur. Il a ensuite pris la première radiographie en utilisant la main de sa femme et son alliance comme sujet.

La première image radiographique a capturé la main et l’alliance d’Anna Bertha Ludwig. Elle était l’épouse du scientifique Wilhelm Röntgen.

TEP-scanners
Outre les rayons X, il existe de nombreuses autres techniques d’imagerie médicale qui utilisent des techniques physiques. La tomographie par émission de positons (TEP), par exemple, est une technique d’imagerie en médecine nucléaire, directement issue de la recherche en physique nucléaire et en physique des particules.

Les scanners TEP utilisent un isotope radioactif, appelé « traceur », qui se lie à des tissus spécifiques du corps du patient. L’isotope se désintègre alors rapidement en émettant des électrons positifs aux positrons, comme nous l’avons déjà découvert plus haut. Le positron parcourt une très courte distance dans le corps avant de libérer son énergie, et est finalement capturé par un atome, où il rencontre un électron. Lorsqu’un positron, le copain antimatière de l’électron, rencontre un électron, les deux particules s’annihilent. Cela signifie qu’ils « se dissolvent » pendant l’interaction et qu’une certaine quantité d’énergie est libérée, suivant l’équivalence masse-énergie d’Einstein. L’énergie d’annihilation produit deux photons d’une énergie donnée, qui s’échappent du corps du patient dans des directions opposées.

Pour capter les photons qui s’échappent, des couches de détecteurs de particules sont placées autour du patient, tout comme les détecteurs de particules sont placés autour du point de collision lorsqu’on étudie l’interaction entre les particules fondamentales. Les détecteurs qui entourent le patient – les patients du grand anneau qu’ils voient lorsqu’ils se couchent pour l’examen TEP – détectent les deux photons qui s’échappent, mesurant l’heure d’arrivée et la direction. Un logiciel dédié reconstruit la trajectoire et le point d’origine dans le corps du patient.

Le traceur s’accumule dans les organes et les tissus d’activité chimique plus élevée, souvent liés à certaines maladies. Les zones où le traceur s’accumule sont à l’origine d’un plus grand nombre de photons et apparaissent sous forme de points lumineux sur les images de la TEP. Les cellules cancéreuses, par exemple, ont un taux métabolique plus élevé que les cellules normales et, pour cette raison, elles apparaissent sous forme de taches brillantes sur un scanner TEP, aidant les médecins à vérifier la présence ou l’état d’une tumeur.

Les isotopes radioactifs utilisés dans les scanners TEP doivent être produits dans des cyclotrons, de petits accélérateurs de particules circulaires qui combinent un champ électrique oscillant et un champ magnétique statique qui retient les particules pour accélérer dans un trajet spiral. Comme l’explique Yacine Kadi, scientifique du CERN, dans une de ses conférences, les particules accélérées sont ensuite dirigées vers une cible spécifique qui, après irradiation, contient le radio-isotope souhaité. Les paramètres tels que l’énergie des particules, l’intensité du faisceau, le matériau cible et le temps détermineront le type et la quantité de radio-isotopes produits.

Les échantillons de matières radioactives se désintègrent les uns après les autres et « meurent » lentement, émettant de moins en moins de particules. La lenteur avec laquelle ils meurent dépend du matériau lui-même. La demi-vie est un paramètre qui indique le temps nécessaire pour que la moitié des atomes de la matière radioactive se désintègrent, en moyenne, ce qui, en pratique, indique la durée de la matière radioactive dans le temps.

Les traceurs ayant une demi-vie plus courte doivent être utilisés dans un bref délai à partir de leur production ; par conséquent, ils doivent être produits à proximité de l’installation de TEP ou y être transportés aussi rapidement que possible. Les radio-isotopes TEP peuvent être transportés à une distance maximale de 3 à 5 heures seulement, ce qui limite leur production dans le voisinage des hôpitaux.

Étant donné que la demi-vie des traceurs radioactifs produits est très courte – les traceurs à courte durée de vie sont choisis spécifiquement pour maintenir la dose radioactive absorbée par le patient aussi faible que possible -, ceux-ci doivent être produits à proximité du scanner TEP. L’un des traceurs PET les plus utilisés est basé sur le radio-isotope fluor-18, dont la demi-vie est de 110 minutes, ce qui permet des transports de moyenne et longue durée. Un autre est le rubidium-82, avec une demi-vie de 1,27 minute, qui est habituellement produit très près de l’installation de TEP.

Étant donné que le coût d’exploitation d’un cyclotron et de l’équipement nécessaire à la préparation subséquente du traceur radioactif est très élevé, on n’en trouve habituellement que dans les grands hôpitaux ou dans les universités et instituts de recherche qui exploitent simultanément ces installations pour différents petits hôpitaux.

Nouvelles frontières de la cancérothérapie : la hadronthérapie

Jusqu’à présent, nous avons examiné comment les particules sont utilisées comme sondes dans l’imagerie médicale, mais les particules sont également utilisées comme thérapies. Les faisceaux de rayonnements ionisants – un autre nom pour indiquer les faisceaux de particules énergétiques – endommagent l’ADN des tissus cancéreux et entraînent leur mort cellulaire.

En 1906, peu après la découverte de la radioactivité par Henri Bequerel, Pierre Curie a suggéré que les tumeurs pouvaient être guéries par l’insertion d’une source radioactive – généralement des électrons ou des photons – qui provoque leur retrait. Cette technique s’appelait brachythérapie, du grec brachys, qui signifie « courte distance », pour indiquer que la source radioactive est placée en contact avec la tumeur. Fréquente au début du 20ème siècle, la brachythérapie est encore utilisée aujourd’hui pour traiter différents types de tumeurs.

Une autre thérapie courante contre le cancer qui utilise des particules est la radiothérapie, où les rayons X sont collimatés et dirigés vers l’organe ou le tissu cible. Pour administrer la dose prévue, on administre habituellement plusieurs traitements sous différents angles. La thérapie électronique utilise des faisceaux d’électrons énergétiques. En raison de leurs caractéristiques, les faisceaux d’électrons ne pénètrent pas profondément dans les tissus de l’organisme et sont donc principalement utilisés pour traiter les tumeurs de la peau.

L’inconvénient de toutes ces techniques réside dans la nature des particules qui les composent. En raison de la façon dont les électrons ou photons énergétiques interagissent avec la matière (toute la matière, pas seulement les tissus corporels), une grande partie de l’énergie est libérée dans les tissus sains le long de la trajectoire des particules dans le corps du patient. Cela cause des dommages aux autres tissus et organes près de la tumeur. Même en planifiant soigneusement le traitement, une partie de l’énergie sera libérée dans les organes chauds autour des malades, ce qui les endommagera, et cela est dû à la nature même des particules utilisées pour le traitement.

Les protons, les neutrons et les ions appartiennent tous à la même famille de hadrons. Ce sont les particules composées de briques plus petites et fondamentales appelées quarks. Par conséquent, le terme hadronthérapie est utilisé pour toutes les thérapies utilisant des hadrons.

Une nouvelle frontière dans la thérapie du cancer par faisceaux de particules est la thérapie au hadron, qui utilise des protons ou des ions plus lourds, c’est-à-dire des noyaux d’éléments plus lourds, comme le carbone. En raison de la façon dont les hadrons interagissent avec la matière, ils ne libèrent la majeure partie de leur énergie qu’à la fin de leur voyage dans une cible particulière ; et la longueur de ce trajet dans la cible dépend de l’énergie initiale du faisceau. Ainsi, en affinant l’énergie des protons, nous pouvons les faire toucher presque uniquement les tissus tumoraux, les faire tuer uniquement les cellules cancéreuses. Comme une « lame protonique » très précise.

Bien que la hadronthérapie soit encore en cours de développement, elle est déjà utilisée dans certains centres médicaux avancés à travers le monde, comme le CNAO italien et le PSI suisse en Europe, et le Northwestern Medicine Chicago Proton Center aux Etats-Unis, pour traiter les tumeurs méchantes chez les enfants ou dans des zones difficiles à opérer.

Retombées de la recherche

Sans surprise, les collisionneurs de particules sont des structures complexes qui nécessitent la conception et le développement de nouvelles technologies. Souvent, les matériaux et les techniques développés pour les expériences sont créés en collaboration avec des partenaires de l’industrie, ce qui mène au développement et à l’application dans d’autres domaines.

Prenons un exemple en profondeur, le LHC au CERN. Les particules dans le faisceau de l’accélérateur doivent être confinées et pliées en utilisant la force exercée par les aimants. Les physiciens des accélérateurs ont conçu le LHC pour atteindre une énergie élevée, ils avaient donc besoin d’aimants puissants. Pour maintenir les aimants à une taille raisonnable et avec une consommation d’énergie réaliste, de nouveaux aimants supraconducteurs ont dû être inventés. Pour qu’ils fonctionnent correctement, ils doivent être refroidis à une température de -271,25 ˚C (-456,25 ˚F), une température proche du « zéro absolu » et plus froide que l’espace extérieur ! Pour ce faire, une cryogénie innovante a été développée. De plus, pour s’assurer que les particules accélérées conservent leur énergie sans heurter les molécules d’air, de nouvelles techniques de pompage sous vide ont été mises au point pour aspirer la majeure partie de l’air de la conduite de l’accélérateur. En d’autres termes, les faisceaux de particules voyagent dans un ultra-vide, une fois de plus, dans un endroit aussi vide que l’espace !

La construction d’accélérateurs de particules modernes nécessite la conception et le développement de technologies innovantes et de nouveaux matériaux. Ils sont souvent utilisés pour d’autres applications non physiques. Par exemple, les aimants LHC de l’image ci-dessus nécessitaient de nouveaux matériaux supraconducteurs, qui ont permis de développer une nouvelle génération d’appareils d’IRM médicaux.

Les résultats scientifiques ne sont pas toujours utilisés immédiatement. Mais toutes les connaissances pourraient être utilisées un jour ou l’autre. En tant qu’éléments constitutifs d’un ensemble LEGO, chaque élément de connaissance et de recherche contribue à la fondation de ce qui les suivra. Par exemple, Marie Curie ne savait pas quelles technologies futures bénéficieraient de ses recherches sur la radioactivité, mais toutes les techniques d’imagerie médicale d’aujourd’hui proviennent de ses recherches et de celles de ses collègues. Einstein n’a pas non plus développé sa théorie de la relativité générale en s’attendant à ce qu’elle soit utilisée pour l’étalonnage des appareils GPS. La recherche fondamentale fait non seulement progresser les connaissances humaines, mais elle permet aussi l’émergence de technologies nouvelles et avancées.

Joyeux 30e anniversaire, World Wide Web !

La construction d’accélérateurs de particules est une vaste entreprise de collaboration. Il y a des années, les physiciens et les ingénieurs des particules avaient de la difficulté à partager efficacement les données, à distribuer l’information et à collaborer à mesure que les ordinateurs devenaient plus courants. Pour résoudre ce problème, ils ont inventé le Web.

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Les expériences du CERN sur le LHC ne sont possibles que grâce à la contribution de nombreux pays et instituts.

L’expérience ATLAS compte environ 3 000 auteurs scientifiques provenant de 183 institutions du monde entier, représentant 38 pays. Environ 1 200 doctorants sont impliqués dans la recherche, ainsi que de nombreux ingénieurs, techniciens et personnels administratifs. L’expérience CMS est similaire.

Ces expériences sont parmi les plus grandes collaborations jamais tentées en science !

Avant que le Web ne puisse traiter les soldes de comptes bancaires, les images, les commandes d’aliments et toutes les autres données que nous consommons dans notre vie numérique quotidienne, ce mécanisme a été inventé pour traiter les données de physique des particules. A la fin des années 1980, un informaticien du CERN, Tim Berners-Lee, tentait de trouver une solution pour faciliter le partage d’informations entre les différents instituts participant aux expériences.

Il y a 30 ans, en mars 1989, Tim Berners-Lee a présenté à son superviseur, Mike Sendall, une proposition visant à développer un nouveau  » système de gestion de l’information « , conçu pour partager les informations sur les activités du CERN. En même temps, Robert Cailleau, directeur du CERN, cherchait des solutions pour permettre aux futures expériences du LHC de partager efficacement l’information.

Sendall a transmis la proposition de Berners-Lee à Cailleau, après avoir ajouté une note personnelle sur la page couverture : « Vague mais excitant… » M. Cailleau a reconnu que l’idée de Berners-Lee pourrait être une solution potentielle pour distribuer des documents et des données entre les instituts pour de futures expériences du LHC, et il a appuyé l’élaboration de l’idée de Berners-Lee.

Comme l’écrivait Robert Cailleau, « On peut dire que le Web est l’une des premières retombées du LHC. En ce sens, la simple existence du Web devrait faire taire tous ceux qui critiquent les coûts du LHC. » (Source : « From Physics to Daily Life », sous la direction de B. Bressan, Wiley, 2014).
La couverture originale de la proposition WWW. Notez la note manuscrite dans la marge supérieure : « Vague mais excitant… »
Source : CERN.

C’est ainsi que le WWW est né. Le logiciel de base a été publié dans le domaine public, ce qui permet de le réutiliser librement et de l’adapter sans aucune restriction. Cette décision a été motivée par la vision de Tim Berners-Lee pour la VMM, et a finalement été sa force. Au cours des années suivantes, la VMM a circulé dans les milieux universitaires et a lentement attiré l’attention de l’industrie. Après s’être normalisé, il a évolué vers ce que nous connaissons aujourd’hui : l’omniprésent « www », l’épine dorsale de notre vie numérique.

Un dernier mot

La physique des particules nous aide à percer les mystères de l’univers et nous a permis de discerner les composantes fondamentales de la matière et les forces fondamentales qui gouvernent l’univers tel que nous le connaissons jusqu’ici. Comme d’autres sciences fondamentales, les applications pratiques ne sont pas au centre des préoccupations. Pourtant, les découvertes faites par les physiciens des particules et les technologies mises au point pour permettre leurs expériences ont transformé nos vies à jamais.

Riccardo Maria Bianchi, PhD, est physicien des particules au CERN, où il travaille à l’expérience ATLAS sur le Grand collisionneur de hadrons (LHC). Il se spécialise dans la recherche de particules supersymétriques, la recherche de nouvelles propriétés physiques indépendantes des modèles, la visualisation interactive de données, le calcul parallèle et la conception et le développement de logiciels scientifiques. Il est chercheur à l’Université de Pittsburgh et co-auteur de « Applied Computational Physics » (Oxford, 2017).

Via Parametricpress

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