Pour y voir de plus près au coeur de la matière
Un nouveau détecteur lumineux inauguré à l’Institut Paul Scherrer, en Argovie, permet de déceler des détails de l’ordre du millième de millimètre dans la structure de la matière.
Fruit d’une collaboration franco-suisse, cet instrument baptisé LUCIA est désormais l’un des plus puissants au monde.
Installé dans la quiétude un peu sauvage de la vallée de l’Aar au nord de Baden, l’Institut Paul Scherrer (PSI) dépend directement du Conseil des Ecoles polytechniques fédérales (EPF).
Ici, 1200 collaborateurs travaillent dans le plus grand centre de recherche de son espèce en Suisse, voué à l’étude des matériaux et des particules élémentaires, mais également à la médecine, à la biologie, aux sciences de l’environnement et à l’astrophysique.
Depuis trois ans, ses installations étalées de part et d’autre de la rivière se sont enrichies d’une énorme structure en forme de soucoupe de 140 mètres de diamètre, posée au milieu des champs tel un astronef surgi d’un vieux film de science-fiction.
Ce bâtiment abrite la SLS, ou Source de Lumière Suisse, qui est à la fois un générateur de rayons X et le microscope le plus puissant du pays. Depuis l’inauguration de LUCIA, il est même l’un des plus puissants au monde.
La course folle des électrons
Dans son principe, cette machine ressemble beaucoup aux accélérateurs de particules comme ceux du CERN, installés aux portes de Genève.
La différence est d’abord une question d’échelle. Tandis que le Laboratoire européen de physique des particules «casse» des noyaux atomiques pour en traquer les composantes ultimes, les accélérateurs de type SLS (il en existe une cinquantaine dans le monde) se contentent de faire tourner des flux d’électrons.
«Vous pouvez comparer cela à un circuit de voitures de course. On accélère les électrons au moyen d’aimants jusqu’à une vitesse proche de celle de la lumière et en même temps, d’autres aimants les contraignent à rester dans l’anneau», explique Francis Waldvogel, président du Conseil des EPF.
Leur tendance naturelle, en effet, serait de filer tout droit. Et sous l’effet de cette contrainte, les électrons dégagent des photons, minuscules «grains de lumière». On parle alors de lumière synchrotron.
Une lumière invisible
«Si l’on reprend l’image du circuit de bolides de course, cette lumière, ce sont les phares des voitures, dont le faisceau se propage en ligne droite», poursuit Francis Walgvogel.
Il suffit alors de laisser sortir ces faisceaux dans ce que l’on nomme des lignes de lumière, d’y placer un objet et de regarder derrière quelle image en ressort.
En fait de lumière, il convient plutôt de parler de rayons X. La lumière est en effet constituée d’ondes électromagnétiques, agitées de «vagues» d’amplitude plus ou moins longue selon la fréquence à laquelle les ondes sont émises.
L’œil humain est incapable de voir les ondes les plus longues et les plus courtes. Et c’est parmi ces dernières, dont la fréquence est très élevée, que se situent les rayons X.
Dans le cas d’une ligne de lumière comme LUCIA, les objets à observer sont ainsi soumis à un bombardement très concentré et reçoivent 10 puissance 12 photons à la seconde. Soit un nombre de grains de lumière égal à 10 suivi de 12 zéros!
Et c’est grâce à cette intensité de bombardement lumineux que l’on peut désormais déceler dans la structure de la matière des détails de la taille d’un micron, soit un millième de millimètre.
Pollution des eaux et résistance du béton
Les applications de cette technique sont multiples. On s’en sert aussi bien pour étudier des protéines que des nouveaux matériaux pour les circuits intégrés ou des échantillons de sols contaminés.
Et LUCIA ouvre de nouvelles perspectives, par exemple aux laboratoires qui étudient l’effet des polluants dissous dans l’eau. Grâce à la précision des images obtenues, on espère comprendre enfin comment l’arsenic et les phosphates interagissent entre eux.
Autre domaine, dont dépendent de gros intérêts socio-économiques: celui des ciments.
Grâce à la nouvelle ligne de lumière, on espère mettre à jour le mécanisme du vieillissement et de l’affaiblissement de certaines constructions dû aux sulfates présents dans l’eau utilisée pour fabriquer le béton.
Collaboration internationale
Mise en service en 2001 avec six lignes de lumière, la SLS en compte désormais neuf. Dernière en date, LUCIA a été inaugurée le 22 juin, en présence d’une forte délégation française.
La technologie a en effet été développée en pleine collaboration avec le Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), qui construit en région parisienne sa propre source de lumière, baptisée Soleil.
«Ceci démontre déjà un intérêt scientifique international», se réjouit Francis Waldvogel.
Et ce n’est pas tout: comme les grands télescopes, LUCIA est à louer aux équipes de chercheurs – suisses et internationaux – qui en font la demande. La commission chargée de l’attribution des heures d’expériences doit déjà refuser plus d’un projet sur deux. Question de timing.
swissinfo, Marc-André Miserez
La SLS (source de lumière suisse) a coûté 160 millions de francs, soit le prix de trois kilomètres d’autoroute.
Les deux tiers ont été fournis par les Ecoles polytechniques, le solde par la Confédération.
– La SLS est un des microscopes les plus puissants du monde. Elle utilise 600 aimants, consommant 4 mégawatts de puissance.
– 300 pompes assurent le vide d’air dans ses 600 mètres de tubes où tournent les électrons.
– La nouvelle ligne de lumière LUCIA permet de soumettre les objets à examiner à un bombardement de 1012 photons à la seconde.
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