Assemblage de faisceaux de TRIUMF

Assemblage de faisceaux de TRIUMF (TRIMPF, flickr)

Les STIM en contexte

À la découverte des accélérateurs de particules au Canada

Samantha Fowler

Résumé

Les accélérateurs de particules possèdent des applications incroyables, allant de la culture des aliments à la sécurité aérienne.

On ne s’en douterait pas de la surface, mais il y a des accélérateurs de particules cachés dans des sous-sols partout au pays. Les accélérateurs de particules semblent appartenir à la science-fiction, pourtant ils ont déjà des applications dans la vraie vie. Leur activité novatrice fait progresser le Canada.

Qu’est-ce qu’un accélérateur de particules?

Un accélérateur de particules est un appareil qui propulse des particules chargées. Les particules chargées peuvent inclure des électrons, des protons ou des ions. L’accélérateur propulse les particules à une vitesse proche de celle de la lumière. Pour y arriver, on utilise les forces électromagnétiques qui sont générées à l’intérieur de l’accélérateur. Les forces électromagnétiques comprennent les champs électriques qui accélèrent les particules et les champs magnétiques qui leur donnent une direction.

La fonction de l’accélérateur détermine sa taille et sa forme. Plus il est gros, plus l’accélération des particules sera rapide. Les chercheurs peuvent donc réaliser des expériences de toutes sortes. Par contre, les gros accélérateurs sont très dispendieux. Parfois, un petit accélérateur de particules suffit.

Évaluer les effets des radiations sur les avions

Il n’y a pas de meilleur endroit pour commencer notre exploration des accélérateurs de particules au Canada qu’au laboratoire TRIUMF. Il s’agit du Centre canadien d’accélération des particules qui est situé à Vancouver, en Colombie-Britannique. Les scientifiques de TRIUMF se penchent sur la physique des particules et la physique nucléaire. Leurs travaux ont des applications dans de nombreux domaines, dont l’aviation.

Scientifique de TRIUMF se livrant à une expérience
Scientifique de TRIUMF se livrant à une expérience (Source: TRIUMF via flickr). ]

 

PIF et NIF sont les installations d’irradiation par protons et par neutrons de TRIUMF. Les scientifiques utilisent d’intenses faisceaux de protons et de neutrons pour simuler des semaines, des mois ou des années dans des milieux radioactifs spécifiques.

Nous sommes constamment bombardés de radiation provenant des rayons cosmiques, des particules énergétiques du soleil et des ceintures de radiation de la Terre. Ces radiations s’intensifient lorsqu’on s’éloigne de la surface de la Terre. Il y a alors moins d’atmosphère pour nous protéger. Par exemple, les radiations sont presque 600 fois plus intenses à bord d’un avion à une altitude de croisière, qu’au sol.

L’effet sur l’équipement peut être important. Par exemple, l’efficacité des puces électroniques peut diminuer. Des entreprises, comme Boeing et Cisco Systems,apportent donc dans les laboratoires de TRIUMF leur équipement avionique, leurs composantes microélectroniques et leurs appareils de communication. Ces équipements y sont bombardés de faisceaux de neutrons provenant d’un cyclotron, un accélérateur de particules. Les scientifiques peuvent ainsi évaluer les effets à long terme de la radiation sur l’équipement.

Accélérateur de particules cyclotron de TRIUMF
Accélérateur de particules cyclotron de TRIUMF (Source: TRIUMF via flickr).

 

Aider les cultures à mieux résister aux changements climatiques

Le Centre canadien de rayonnement synchrotron (CLS) à Saskatoon, en Saskatchewan, utilise un accélérateur de particules différent : un synchrotron. Les électrons à l’intérieur d’un synchrotron sont accélérés par des ondes radioélectriques. Des aimants dirigent ces électrons pour produire une lumière brillante très concentrée. Cette lumière est dirigée vers de petits laboratoires. Les chercheurs peuvent y observer l’interaction entre la lumière et différents matériaux.

Na Liu est l’une des chercheuses au CLS. Liu étudie l’impact des changements climatiques sur l’agriculture. En raison des changements climatiques, les agriculteurs, agricultrices et scientifiques doivent modifier leur façon de travailler. Ils n’auront pas le choix s’ils veulent réussir à cultiver la même quantité de nourriture. Liu cherche à connaître l’effet du stress environnemental sur les plantes. Ainsi, les fermiers sauront à quoi s’attendre.

Liu étudie une plante appelée Arabidopsis. Des plantes Arabidopsis sont cultivées dans différentes conditions. Certaines plantes reçoivent une quantité d’eau limitée pour simuler une sécheresse. Liu étudie les feuilles de ces plantes avec la lumière du CLS. Elle peut observer la différence entre les plantes normales et celles qui ont subi un stress de sécheresse.

Arabidopsis neglecta
Arabidopsis neglecta (Source: Jerzy Opioła [CC BY-SA] via Wikimedia Commons).

 

L’avantage d’utiliser la lumière produite par le CLS est que les scientifiques peuvent acquérir des connaissances sur la structure et les propriétés chimiques des matières au niveau moléculaire. Ils peuvent le faire rapidement et sans causer de dommages.

Traiter le cancer avec la radiation

Parfois, « causer des dommages » est ce que les scientifiques recherchent, particulièrement avec les cancers. Le centre régional de cancérologie de la rivière Grand (Grand River Regional Cancer Centre) situé à Waterloo, en Ontario, est l’un des nombreux hôpitaux canadiens qui utilisent les accélérateurs de particules pour des traitements de radiothérapie externe.

Les hôpitaux utilisent de petits accélérateurs linéaires (LINAC) pour produire des radiations qui détruisent les cellules cancéreuses. Le LINAC produit des électrons de haute énergie qui percutent une cible faite de métal lourd. On obtient des rayons X à haute énergie qui peuvent être appliqués seulement à la forme de la tumeur du patient. Un physicien médical cible la tumeur avec ces rayons pour en freiner la croissance et tuer les cellules. Ce traitement n’endommage pas les tissus normaux (non cancéreux) autour de la tumeur.

Petit accélérateur linéaire servant à soigner le cancer
Petit accélérateur utilisé pour traiter le cancer (Source: CatEyePerspective via iStockphoto).

 

Produire localement des particules qui sauvent des vies

Eastern Health (organisme gouvernemental en santé) de St. John’s, à Terre-Neuve-et-Labrador, a commencé à utiliser un nouveau cyclotron en 2020. Il produit des radio-isotopes médicaux pour le diagnostic et l’imagerie.

Le savais-tu? 

Un isotope est un atome dont le nombre de neutrons dans le noyau diffère du nombre standard (son numéro atomique). Un radio-isotope est un isotope instable. Ces derniers contiennent un excès de neutrons ou d’énergie pouvant se changer en d’autres éléments au fil du temps.

Les cyclotrons produisent des radio-isotopes en provoquant la collision de faisceaux de particules avec des cibles. Cette collision transforme un atome en un autre atome en lui faisant perdre des neutrons.

Par exemple, si l’on bombarde du molybdène 100 (élément comptant 100 neutrons) avec des photons, on obtient du molybdène 99 (qui compte seulement 99 neutrons). Ce nouvel isotope fort puissant est très instable. Si le molybdène 99 se désintègre davantage et perd un proton, il se transforme en technétium 99m. Le technétium 99m est utilisé chaque jour pour réaliser plus de 5 500 scintigraphies (scans) au Canada.

La production locale de radio-isotopes médicaux permet de sauver du temps et des vies. La plupart des hôpitaux dépendent d’une nombre restreint de réacteurs nucléaires pour obtenir des radio-isotopes médicaux. Ce n’est pas très fiable. Si les choses tournent mal, il peut y avoir une pénurie grave et soudaine.

Les accélérateurs de particules sont un moyen fiable et efficace de produire des radio-isotopes médicaux. Les scientifiques essaient de concevoir des accélérateurs plus petits et moins chers qui sont faciles à utiliser dans les hôpitaux. Les docteurs pourraient ainsi se servir immédiatement de radio-isotopes médicaux pour des interventions vitales.

Contributions du Canada au niveau mondial

Les accélérateurs de particules canadiens apportent aussi leur contribution à la communauté internationale de recherche en physique. Les scientifiques d’ici jouent un rôle important au CERN. Le CERN est un centre de physique des particules situé à Genève, en Suisse. Il abrite le plus grand accélérateur de particules au monde qu’on appelle le Grand collisionneur de hadrons (LHC pour Large Hadron Collider).

Le LHC est célèbre pour sa découverte du boson de Higgs; surnommé la « particule de Dieu ». Les scientifiques avaient émis l’hypothèse de l’existence de cette mystérieuse particule. Pourtant, personne n’avait réussi à prouver cette hypothèse avant le 4 juillet 2012, lorsque l’expérience ATLAS l’a détecté.

Le détecteur ATLAS est l’un des instruments scientifiques les plus grands et complexes jamais construits. Ses détecteurs permettent aux chercheurs d’étudier le comportement des particules seuls ou pendant des collisions. Mais ils sont si massifs que l’aide de collaborateurs internationaux est nécessaire. Des scientifiques de partout dans le monde ont contribué à la construction de ces détecteurs et au traitement des données qu’ils produisent.

Les chercheuses et chercheurs canadiens ont participé à la conception, à l’usinage, au montage et à la construction du détecteur ATLAS. Le Canada contribue aussi à la Grille de calcul mondiale pour le LHC (Worldwide LHC Computing Grid). TRIUMF abrite l’un des neuf centres internationaux de données de niveau 1 chargés de collecter et de traiter les données du détecteur ATLAS.

Les accélérateurs de particules sont essentiels pour comprendre le monde physique et améliorer la santé et la sécurité. Ces accélérateurs canadiens ne sont que quelques exemples de l’impact spectaculaire de ces appareils sur nos vies.

Amorces de discussion

Faire des liens
  • Quel accélérateur de particules est situé le plus près de chez toi?
  • Connais-tu quelqu’un ayant subi une radiothérapie? Pour quelle raison?
Faire des liens
  • Quel accélérateur de particules est situé le plus près de chez toi?
  • Connais-tu quelqu’un ayant subi une radiothérapie? Pour quelle raison?
Relier la science et la technologie à la société et à l’environnement
  •  
  • Pourquoi est-il important d’avoir des accélérateurs de particules, comme un cyclotron, à divers endroits au Canada?
  • Quels sont les avantages de financer la recherche dans le domaine de la science des particules?
  • Comment la science et la technologie canadiennes contribuent-elles aux découvertes dans le domaine de la science des particules?
Relier la science et la technologie à la société et à l’environnement
  •  
  • Pourquoi est-il important d’avoir des accélérateurs de particules, comme un cyclotron, à divers endroits au Canada?
  • Quels sont les avantages de financer la recherche dans le domaine de la science des particules?
  • Comment la science et la technologie canadiennes contribuent-elles aux découvertes dans le domaine de la science des particules?
Explorer les concepts
  • Qu’est-ce qu’un accélérateur de particules?
  • Comment un cyclotron produit-il des radio-isotopes?
  • En quoi le Grand collisionneur de hadrons (LHC) a-t-il contribué au domaine de la science des particules?
  • Pourquoi les accélérateurs linéaires (LINAC) sont-ils utiles pour traiter diverses formes de cancer?
Explorer les concepts
  • Qu’est-ce qu’un accélérateur de particules?
  • Comment un cyclotron produit-il des radio-isotopes?
  • En quoi le Grand collisionneur de hadrons (LHC) a-t-il contribué au domaine de la science des particules?
  • Pourquoi les accélérateurs linéaires (LINAC) sont-ils utiles pour traiter diverses formes de cancer?
Nature de la science et de la technologie
  • Quelle est l’incidence de projets comme le Grand collisionneur de hadrons (LHC) et le détecteur Atlas sur la collaboration scientifique?
  • En quoi le domaine de la science des particules est-il représentatif de la nature dynamique (qui évolue) de la science?
Nature de la science et de la technologie
  • Quelle est l’incidence de projets comme le Grand collisionneur de hadrons (LHC) et le détecteur Atlas sur la collaboration scientifique?
  • En quoi le domaine de la science des particules est-il représentatif de la nature dynamique (qui évolue) de la science?
Littératie médiatique
  • Peux-tu trouver une récente nouvelle qui traite de la science des particules? De quoi s’agit-il?
  • Crois-tu que beaucoup de gens au Canada sont familiers avec les accélérateurs de particules et leur contribution à la science et à la société? Comment ferais-tu la promotion de cet aspect des sciences et des technologies canadiennes auprès de la population générale?
Littératie médiatique
  • Peux-tu trouver une récente nouvelle qui traite de la science des particules? De quoi s’agit-il?
  • Crois-tu que beaucoup de gens au Canada sont familiers avec les accélérateurs de particules et leur contribution à la science et à la société? Comment ferais-tu la promotion de cet aspect des sciences et des technologies canadiennes auprès de la population générale?
Suggestions pour l’enseignement
  • Avant la lecture de cet article, les enseignants et enseignantes pourraient demander aux élèves d’utiliser une stratégie d’apprentissage Aperçu du vocabulaire pour accéder à leurs connaissances préalables et se familiariser avec un nouveau vocabulaire. Une fiche reproductible Aperçu du vocabulaire prête à l’emploi est disponible en format [Document Google] et [PDF].
  • Pour consolider l’apprentissage pendant ou après la lecture de cet article, l’enseignant ou enseignante pourrait demander aux élèves de remplir une stratégie d’apprentissage de Toile de définition du concept pour l’accélérateur de particules. Une fiche reproductible Toile de définition du concept prête à l’emploi est disponible en format [Document Google] et [PDF].
  • Pour explorer ce sujet plus en profondeur, les enseignants et enseignantes pourraient demander aux élèves d’examiner la pertinence des investissements du Canada dans la technologie des accélérateurs de particules au moyen d’une stratégie d’apprentissage Réfléchir-discuter-décider pour débattre de l’énoncé suivant : « La collaboration mondiale en sciences et technologie signifie que le Canada n’a pas besoin d’investir dans sa propre technologie d’accélérateurs de particules. ». Une fiche reproductible Réfléchir-Discuter-Décider prête à l’emploi est disponible en format [Document Google] et [PDF].
Suggestions pour l’enseignement
  • Avant la lecture de cet article, les enseignants et enseignantes pourraient demander aux élèves d’utiliser une stratégie d’apprentissage Aperçu du vocabulaire pour accéder à leurs connaissances préalables et se familiariser avec un nouveau vocabulaire. Une fiche reproductible Aperçu du vocabulaire prête à l’emploi est disponible en format [Document Google] et [PDF].
  • Pour consolider l’apprentissage pendant ou après la lecture de cet article, l’enseignant ou enseignante pourrait demander aux élèves de remplir une stratégie d’apprentissage de Toile de définition du concept pour l’accélérateur de particules. Une fiche reproductible Toile de définition du concept prête à l’emploi est disponible en format [Document Google] et [PDF].
  • Pour explorer ce sujet plus en profondeur, les enseignants et enseignantes pourraient demander aux élèves d’examiner la pertinence des investissements du Canada dans la technologie des accélérateurs de particules au moyen d’une stratégie d’apprentissage Réfléchir-discuter-décider pour débattre de l’énoncé suivant : « La collaboration mondiale en sciences et technologie signifie que le Canada n’a pas besoin d’investir dans sa propre technologie d’accélérateurs de particules. ». Une fiche reproductible Réfléchir-Discuter-Décider prête à l’emploi est disponible en format [Document Google] et [PDF].

En savoir plus

Qu'est ce que le CERN? (2019)
Ce vidéo (4min.) du CERN explique le rôle et les recherches faites au CERN.

Pourquoi se préoccuper du boson de Higgs? (2020)
Cet article de Magdelena Pop et Parlons sciences explique l’importance de la découverte du boson de Higgs.

Introduction à la médecine nucléaire
Ce vidéo (3 min. 5 s.) de l’Association canadienne de médecine nucléaire explique les utilisations et démystifie les croyances populaires en lien avec ses risques.

L'essentiel sur les faisceaux et les particules (2014)
Ce vidéo (22 min 44 s.) du CERN explique en termes simples ce que sont les faisceaux et les particules.

Installations d’accélérateurs de particules au Canada
Cette page de la Commission canadienne de sûreté nucléaire fait la liste des installations d’accélérateurs avec des liens vers d’autres types d'installations nucléaires.

Visitez en 360 le LHC et le Data Centre du CERN (2020)

Ce vidéo (2 min. 11 s.) du CERN est une visite guidée en 360 degrés du Grand collisionneur de hadrons et du centre de données du CERN.

Références

Canadian Cancer Society. (n.d.). External radiation therapy.

Canadian Nuclear Safety Commission. (2020). Particle accelerator facilities.

CERN. (2020). Atlas.

CERN. (n.d.). Accelerators.

CERN. (n.d.). The Higgs boson.

Dotson, B. (2014). How particle accelerators work. U.S. Department of Energy.

Hoehr, C., Bénard, F., Buckley, K., et al. (2017). Medical isotope production at TRIUMF – From imaging to treatment. Physics Procedia, 90, 200-208. DOI: 10.1016/j.phpro.2017.09.059

Liu, N., Zhao, L., Tang, L., et al. (2020). Mid‐infrared spectroscopy is a fast screening method for selecting Arabidopsis genotypes with altered leaf cuticular wax. Plant Cell Environ, 43, 662–674. DOI: 10.1111/pce.13691

Lougheed, T. (2013). Cyclotron production of medical isotopes scales up. CMAJ, 186(11), 947. DOI 10.1503/cmaj.109-4525

Matthews, E. (2020, March 13). Helping crops to withstand drought and climate change. Canadian Light Source.

Merminga, L. (2014). A career in accelerator physics. TRIUMF.

Meyer, T. I. (2012, July 10). How the Higgs did we get here? TRIUMF.

Canadian Light Source. (n.d.). Mid infrared spectromicroscopy (mid-IR) 01B1-1.

Radiologyinfo.org. (2019). Linear accelerator.

TRIUMF. (2011, January 18). FAQ on medical isotopes and cyclotrons.

TRIUMF. (2010, August 25). Neutron irradiation facilities (NIF) overview.

TRIUMF. (2010, August 25). PIF & NIF.