Synchrotrons : lumière sur l’infiniment petit

Pige pour le n°2 de l’hebdomadaire Vrai­ment

Il en existe quatre-vingts dans le monde, dont deux en France. Les syn­chro­trons de Saclay et Gre­noble sont aus­si mys­té­rieux de l’extérieur que lumi­neux de l’intérieur. Grâce à ces accé­lé­ra­teurs de par­ti­cules, la matière livre enfin ses secrets.

Ins­tal­lé sur le pla­teau de Saclay, à une tren­taine de kilo­mètres au sud de Paris, le syn­chro­tron Soleil (pour Source opti­mi­sée de lumière d’énergie inter­mé­diaire du LURE 1Labo­ra­toire pour l’utilisation du rayon­ne­ment élec­tro­ma­gné­tique ) a des allures de sou­coupe volante posée au milieu des champs. Avec son anneau de 354 mètres de cir­con­fé­rence, cet accé­lé­ra­teur de par­ti­cules inau­gu­ré en 2006 compte par­mi les 80 équi­pe­ments du genre exis­tant dans le monde. S’il affiche des dimen­sions beau­coup plus modestes que son grand frère gre­no­blois, l’ESRF (Euro­pean Syn­chro­tron Radia­tion Faci­li­ty), dont l’anneau mesure 844 mètres, il accueille tout de même chaque année quelque 4 100 cher­cheurs, dont 3 100 Fran­çais. Quel que soit leur domaine d’étude (phy­sique, chi­mie, bio­lo­gie, etc.), leur objec­tif est d’explorer la matière.

Connaître la structure d’une protéine, d’un virus

Pour per­cer les mys­tères de cet infi­ni­ment petit, les cher­cheurs ont besoin d’un fais­ceau lumi­neux extrê­me­ment fin et puis­sant. Le prin­cipe d’un syn­chro­tron comme l’ESRF ou Soleil est de pro­duire des rayons X en ame­nant des élec­trons à une vitesse proche de la lumière. Pro­je­tés par un accé­lé­ra­teur linéaire, ceux-ci sont intro­duits dans un pre­mier anneau appe­lé « boos­ter » puis dans un anneau de sto­ckage où ils effec­tuent plu­sieurs cen­taines de mil­liers de tours, accé­lé­rés par des aimants dis­po­sés tout au long du tube. Chaque accé­lé­ra­tion pro­duit un fais­ceau de lumière, appe­lé rayon­ne­ment syn­chro­tron diri­gé par des tubes métal­liques rec­ti­lignes. 2Dans le pdf ori­gi­nal une erreur s’est glis­sée sur le fonc­tion­ne­ment du syn­chro­tron. On y lisait : Pro­je­tés par un accé­lé­ra­teur linéaire, ceux-ci sont intro­duits dans un pre­mier anneau appe­lé « boos­ter » où ils effec­tuent plu­sieurs cen­taines de mil­liers de tours, accé­lé­rés par des aimants dis­po­sés tout au long du tube. Chaque accé­lé­ra­tion pro­duit un fais­ceau de lumière, appe­lé rayon­ne­ment syn­chro­tron, qui est ensuite diri­gé vers l’anneau desto­ckage puis vers des tubes métal­liques rec­ti­lignes. Au bout de cha­cune de ces « lignes de lumière », un labo­ra­toire récu­père ce fais­ceau lumi­neux de l’épaisseur d’un che­veu et 10 000 fois plus brillant que le soleil grâce auquel la matière peut être scru­tée dans ses moindres détails.

« Le domaine d’utilisation de ces rayons X est très vaste, explique Yan­nick Lacaze, char­gé de média­tion scien­ti­fique à l’ESRF. La majeure par­tie des expé­riences porte sur la struc­ture de la matière, à l’échelle ato­mique ou pas, mais tou­jours à petite échelle. Les appli­ca­tions, elles, sont d’une grande diver­si­té. En bio­lo­gie struc­tu­rale, par exemple, l’idée est de connaître la struc­ture d’une pro­téine ou d’un virus. Nous fai­sons aus­si de plus en plus d’expériences dans le domaine de la paléon­to­lo­gie, en étu­diant des fos­siles. » En décembre 2017, l’équipe du paléon­to­logue de l’ESRF Paul Taf­fo­reau a ain­si iden­ti­fié le fos­sile d’un dino­saure amphi­bie, proche du vélo­ci­rap­tor, le halsz­ka­rap­tor.

En col­la­bo­rant avec les équipes de Soleil et de l’ESRF, des élec­tro­chi­mistes de l’université de Londres ont éga­le­ment trou­vé une expli­ca­tion au phé­no­mène d’explosion obser­vé sur cer­taines bat­te­ries de télé­phone por­table. « Les bat­te­ries sont étu­diées aux rayons X depuis long­temps, pour­suit Yan­nick Lacaze. Mais ici nous sommes plus pré­cis parce que nous avons des rayons X à peu près 100 mil­liards de fois plus intenses que ceux pro­duits dans les hôpi­taux par des tubes à rayons X clas­siques. En uti­li­sant le syn­chro­tron, il est pos­sible d’observer en temps réel ce qui se passe quand une bat­te­rie entre en embal­le­ment ther­mique. » En 2015, les cher­cheurs bri­tan­niques ont ain­si mis en évi­dence le fait qu’en cas d’élévation anor­male de la tem­pé­ra­ture à 100 °C, des poches de gaz se forment dans les bat­te­ries. La fusion de ces poches entraîne alors une chute sou­daine de pres­sion, res­pon­sable des court-cir­cuits à l’origine de l’explosion.

Une trentaine de labos à disposition

À Saclay, cette gigan­tesque machine à élec­trons fonc­tionne sept jours sur sept, vingt-quatre heures sur vingt-quatre. Vue de l’intérieur, du haut de la pas­se­relle sur­plom­bant le fais­ceau emmu­ré par du béton pour des ques­tions de sécu­ri­té, l’installation se laisse admi­rer dans toute sa com­plexi­té 2 : un enche­vê­tre­ment de câbles et de tuyaux de gaz sur le par­cours de l’anneau et, en épi tout autour de celui-ci, une tren­taine de labo­ra­toires (sur les 43 lignes de lumière dont dis­pose le site de Saclay, 29 sont ouvertes à ce jour). Pour assu­rer le bon fonc­tion­ne­ment du site, près de 520 per­sonnes s’activent au quo­ti­dien, cir­cu­lant par­fois à vélo. Le cher­cheur Julien Rault fait par­tie de ceux-là. Scien­ti­fique de ligne, il est char­gé d’aider les uti­li­sa­teurs.

« Tra­vailler ici, explique-t-il, est très par­ti­cu­lier. Comme le syn­chro­tron reçoit plus de demandes qu’il ne dis­pose de temps de fais­ceau, les expé­riences sont sélec­tion­nées par dos­sier tous les six mois et les  uti­li­sa­teurs doivent res­pec­ter un plan­ning très strict. Nous devons faire en sorte que le syn­chro­tron fonc­tionne qua­si­ment tout le temps. Cer­tains uti­li­sa­teurs viennent du Japon ou des États-Unis, ils n’ont pas envie  de perdre une demi-jour­née. » D’où le tra­vail en trois-huit et la pré­sence sur place d’équipes de tech­ni­ciens et cher­cheurs avec qui les uti­li­sa­teurs peu vent inter­agir qua­si­ment en per­ma­nence.

Accès gratuit à condition de publier ses résultats

Julien Rault dis­tingue deux types d’utilisateurs : « Il y a ceux qui fonc­tionnent “à la cool” et ceux qui tra­vaillent non-stop sur le cré­neau qui leur est impar­ti. » Tels ces deux étu­diants en thèse de l’université de Prin­ce­ton, dans le New Jer­sey (États-Unis) : « Ils s’occupent de façon auto­nome de toutes les expé­riences. L’un deux m’a confié qu’il avait une chambre en rési­dence étu­diante à Prin­ce­ton mais qu’il n’y était jamais. Il passe sa vie dans les syn­chro­trons et en confé­rences. »

À Soleil, 99 % des uti­li­sa­teurs pro­fitent gra­tui­te­ment des ins­tal­la­tions. La seule contre­par­tie qui leur est deman­dée est la publi­ca­tion des résul­tats de leurs recherches. Le 1 % res­tant est le fait de quelques  entre­prises pri­vées qui acceptent de payer la loca­tion du fais­ceau, sans sélec­tion ni obli­ga­tion de publi­ca­tion.

Pour gérer et finan­cer de telles infra­struc­tures, les ins­ti­tu­tions ont créé des struc­tures admi­nis­tra­tives ad hoc. Le Centre natio­nal de la recherche scien­ti­fique (CNRS) et le Com­mis­sa­riat à l’énergie ato­mique et aux éner­gies alter­na­tives (CEA) se sont ain­si asso­ciés dans une socié­té civile dotée d’un bud­get annuel de 60 mil­lions d’euros pour don­ner nais­sance à Soleil. Et du côté de l’ESRF, la socié­té civile fran­çaise gérant le syn­chro­tron est finan­cée à hau­teur de 135 mil­lions d’euros par vingt-deux pays dont la France, l’Allemagne et l’Italie, mais aus­si la Rus­sie, Israël, l’Inde et l’Afrique du Sud. Cette façon de tra­vailler en sciences est peu cou­rante, mais elle se retrouve autour de quelques autres grands ins­tru­ments – les obser­va­toires astro­no­miques, par exemple. Pour Ben­ja­min Abé­cas­sis, phy­si­co-chi miste au CNRS et à l’École nor­male  supé­rieure de Lyon, et uti­li­sa­teur régu­lier des syn­chro­trons en vue d’étudier la for­ma­tion des nano­par­ti­cules, « la science va de plus en plus vers ce qu’on appelle la Big Science [mégas­cience, en fran­çais], avec des équi­pe­ments qui coûtent très cher, finan­cés par des États ou de grands orga­nismes inter­na­tio­naux, pour faire des expé­riences très pous­sées sur des choses très pré­cises ».

 

 

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References   [ + ]

1. Labo­ra­toire pour l’utilisation du rayon­ne­ment élec­tro­ma­gné­tique
2. Dans le pdf ori­gi­nal une erreur s’est glis­sée sur le fonc­tion­ne­ment du syn­chro­tron. On y lisait : Pro­je­tés par un accé­lé­ra­teur linéaire, ceux-ci sont intro­duits dans un pre­mier anneau appe­lé « boos­ter » où ils effec­tuent plu­sieurs cen­taines de mil­liers de tours, accé­lé­rés par des aimants dis­po­sés tout au long du tube. Chaque accé­lé­ra­tion pro­duit un fais­ceau de lumière, appe­lé rayon­ne­ment syn­chro­tron, qui est ensuite diri­gé vers l’anneau desto­ckage puis vers des tubes métal­liques rec­ti­lignes.

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