Comment fonctionnent les synchrotrons : la lumière la plus brillante du monde

Qu'est-ce qu'un synchrotron ?

Une source de lumière synchrotron est une machine massive en forme d'anneau qui accélère les électrons à une vitesse proche de celle de la lumière et récolte le rayonnement intense qu'ils émettent lorsqu'ils sont forcés de changer de direction. Le résultat est un faisceau de rayons X extraordinairement brillant – des milliards de fois plus brillant que le soleil – que les scientifiques dirigent vers tout, des fossiles anciens aux médicaments expérimentaux.

Plus de 50 installations de synchrotrons sont en exploitation ou en construction dans le monde entier, de l'Installation européenne de rayonnement synchrotron (ESRF) à Grenoble, en France, à la Diamond Light Source dans l'Oxfordshire, en Angleterre, et à l'Australian Synchrotron près de Melbourne. Ils accueillent des dizaines de milliers de chercheurs chaque année.

Comment fonctionne la machine

Le processus commence par un canon à électrons, qui projette un flux d'électrons dans un accélérateur linéaire. Ici, les particules sont accélérées à une vitesse proche de celle de la lumière – généralement 99,9997 % de c. Un anneau booster plus petit augmente encore leur énergie, souvent d'environ 100 MeV à 3 000 MeV en moins d'une seconde.

Les électrons entrent ensuite dans l'anneau de stockage, un tube à vide de forme polygonale qui peut s'étendre sur des centaines de mètres de circonférence. De puissants aimants de courbure dirigent les électrons autour des courbes de l'anneau. Chaque fois que les particules changent de direction, elles perdent de l'énergie sous forme de rayonnement électromagnétique – la lumière synchrotron.

Pour intensifier le faisceau, de nombreuses installations insèrent des dispositifs appelés onduleurs ou wigglers dans les sections droites de l'anneau. Ces réseaux d'aimants alternés forcent les électrons à osciller rapidement, produisant des rayons X encore plus brillants et plus focalisés. La lumière est canalisée vers des dizaines de lignes de faisceau – des stations expérimentales individuelles rayonnant vers l'extérieur à partir de l'anneau comme les rayons d'une roue.

Pourquoi la lumière synchrotron est spéciale

Les appareils à rayons X ordinaires produisent un faisceau large et relativement faible. Un synchrotron, en revanche, délivre une lumière qui est :

• Extrêmement brillante – jusqu'à 10 milliards de fois plus intense que les sources conventionnelles
• Hautement focalisée – les faisceaux peuvent être réduits à moins d'un micromètre de diamètre
• Réglable – les scientifiques peuvent sélectionner des longueurs d'onde précises, de l'infrarouge à l'ultraviolet en passant par les rayons X durs
• Pulsée – le faisceau arrive en rafales ultracourtes, permettant des expériences résolues dans le temps qui capturent les réactions chimiques en temps réel

Ces propriétés permettent aux chercheurs de voir des structures et des processus invisibles à tout autre instrument.

Ce que les synchrotrons ont révélé

Médecine et conception de médicaments

La cristallographie aux rayons X synchrotron a été essentielle pour cartographier la structure de la protéine de pointe du virus SARS-CoV-2, accélérant le développement de vaccins et d'antiviraux contre la COVID-19. La technique aide régulièrement les entreprises pharmaceutiques à visualiser comment les molécules de médicaments s'amarrent aux cibles de la maladie au niveau atomique.

Paléontologie

La microtomographie à contraste de phase dans les installations de synchrotrons a révélé des tissus mous à l'intérieur de fossiles vieux de 300 millions d'années, découvert des os d'embryons à l'intérieur d'œufs de lézards vieux de 125 millions d'années et lu de l'encre invisible sur d'anciens parchemins. Une étude récente a utilisé l'imagerie synchrotron pour reclasser le plus vieux fossile de "poulpe" du monde comme un parent du nautile, résolvant ainsi une énigme évolutive vieille de plusieurs décennies.

Science des matériaux

Les ingénieurs utilisent les faisceaux de synchrotrons pour observer la propagation des fractures de fatigue dans les aubes de turbine de moteurs à réaction, étudier les électrodes de batterie pendant qu'elles se chargent et se déchargent, et cartographier la composition chimique des cellules solaires de nouvelle génération – le tout sans détruire l'échantillon.

La prochaine génération

Les synchrotrons de quatrième génération, tels que l'ESRF-EBS amélioré à Grenoble et l'installation Sirius du Brésil, utilisent une conception de réseau achromatique multi-courbure qui comprime le faisceau d'électrons en un ruban encore plus fin. Le résultat est une lumière jusqu'à 100 fois plus brillante que les machines précédentes, ouvrant la voie à l'imagerie de molécules uniques et au suivi des réactions chimiques à l'échelle de la femtoseconde.

Tant que les scientifiques auront besoin de voir l'invisible – que ce soit à l'intérieur d'une cellule vivante, d'une météorite ou d'un ancien manuscrit – les synchrotrons resteront l'un des outils les plus puissants de l'arsenal de la recherche.