À la découverte des accélérateurs de particules au Canada

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.

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.

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.

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.

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.