Emilie Beau a pris le SOLEIL, ou devrions-nous dire est allée visiter SOLEIL. Un accélérateur de particules ou encore "synchrotron". Suivez le guide, la visite commence par ici...

Un beau jour de printemps, j’ai pris mon après-midi pour aller visiter SOLEIL, un accélérateur de particules.

Un quoi ?

Eh bien, c'est un équipement qui accélère des particules de façon à produire une source de lumière extrêmement puissante qui permet d'explorer la matière. Cette source de lumière très puissante est appelée rayonnement synchrotron.

Et comment on l'obtient cette grosse source de lumière ?

En fait, SOLEIL est composé d'un anneau de 354m de périmètre que l'on appelle l'anneau de stockage dans lequel on fait circuler des électrons de très haute énergie à une vitesse proche de celle de la lumière. A certains endroits de l'anneau, on récupère ce rayonnement synchrotron que l'on dirige dans des lignes de lumière. Au bout de ces lignes ont été installés des laboratoires dans lesquels on analyse des échantillons mis au contact de la source de lumière de façon à les étudier.

Et c'est quoi exactement ce rayonnement synchrotron ?

Dans SOLEIL, un canon à élections fourni des électrons de très haute énergie. On soumet ces élections à l'action d'un champ magnétique ce qui va avoir pour effet de courber leur trajectoire. Du coup, ils perdent une partie de leur énergie qui est libérée sous la forme d'un rayonnement lumineux. Cette lumière est différente de celle que l'on peut voir à l'œil nu, elle est 1000 fois plus intense que la lumière du soleil et émet de l'infrarouge aux rayons X en passant par les ultraviolets.

Comment est-ce qu'on fait pour créer ce rayonnement ?

Comme je l'ai dit, des paquets d'électrons issus d'un canon à électrons sont propulsés dans un accélérateur, le LINAC , sur 16m de long. Puis, ils sont envoyés dans un petit anneau de 157m de circonférence appelé le BOOSTER où ils vont tourner jusqu'à accélérer à une vitesse proche des 300 000Km/s. Lorsqu'ils ont atteint cette vitesse, ils sont envoyés dans le grand anneau, l'anneau de stockage où ils vont tourner sans arrêt dans une chambre à vide.

Mais comment font-ils pour tourner en rond ?

On va les soumettre à l'action d'un champ magnétique. En fait, les électrons passent entre des électro-aimants qui font dévier leur trajectoire. A chaque passage dans un aiment, les électrons perdent un peu d'énergie qui produit le fameux rayonnement synchrotron : le faisceau. Cette déviation est effectuée 32 fois sur l’anneau.

Et oui, l’anneau n'est pas vraiment un anneau mais plutôt un polygone à 32 cotés. Donc il y a 32 faisceaux de lumière qui forment les rayons de SOLEIL qui sont redirigés vers les laboratoires. Cependant, pour des raisons de financement, pour l'instant seules 24 lignes sont utilisées.

Ok, mais alors, à quoi ça sert une source de lumière si puissante ?

Eh bien cette lumière est si brillante(densité de photon/unité de surface) que l'on va pouvoir l'utiliser pour pénétrer la matière très profondément et donc étudier des échantillons divers comme des objets, des matériaux ou des cellules vivantes. On va pouvoir étudier sur ces échantillons leur géométrie en surface ou en volume et leurs propriétés.

Et quelles sont les utilités de ces études ?

Avec les nouvelles technologies, on crée des éléments de plus en plus petits. Ces études permettront d'observer des objets à l'échelle submicronique…. Oui enfin je voulais dire… qui ont une taille inférieure au micron.

On va pouvoir l'utiliser par exemple en physique pour étudier les propriétés électroniques et magnétiques de façon à faire avancer la recherche dans l'électronique et le stockage magnétique d'informations. En médecine et en biologie pour rechercher de nouveaux médicaments, observer de façon précise des vaisseaux sanguins, des tissus osseux ou des constituants de cellules. En chimie également, pour détecter des substances polluantes hyper diluées, optimiser le fonctionnement des pots catalytiques ou créer de nouveaux matériaux. En géophysique pour analyser la structure des matériaux du manteau terrestre ou des poussières de comètes. En cosmétologie pour étudier la pénétration d'un produit de beauté, car si il pénètre trop profondément, il sera qualifié de médicament, et ce ne sont plus les même législations. Ou encore en art, pour étudier les matériaux anciens et apprendre à mieux les conserver comme le vernis d'un stradivarius. Il y a énormément d’applications dans différents domaines très variés.

Pour les curieux qui veulent en savoir un peu plus…

SOLEIL n'est pas enterré sous terre, est-ce que ce n'est pas dangereux ?

Non pas du tout. Pour travailler dans l’anneau, il est nécessaire de porter un dosimètre pour s'assurer que l’on n’est pas traversé par des rayons gamma, mais les murs autour de l'anneau sont en béton chargé de fer et ne laissent donc pas sortir les rayonnements. Par contre, c'est un outil très sensible. Il est posé sur plusieurs centaines de pieux de béton armé pour assurer sa stabilité de façon à ne pas perdre d'intensité sur le faisceau. Ces pertes peuvent être engendrées par des orages violents ou encore des séismes à l'autre bout de la terre que l'on ressent ici.

On parlait d'électro-aimants tout à l'heure…

Du LINAC à l'anneau de stockage, il y a plusieurs dizaines d'éléments magnétiques chargés de guider le faisceau de particules. On trouve des dipôles (36 dans le booster et 32 dans l’anneau) qui sont à la fois des éléments magnétiques de guidage qui courbent la trajectoire des électrons et des sources de lumière. On a aussi des quadripôles (44 dans le booster et 160 dans l’anneau) et des sextupôles (28 dans le booster et 120 dans l’anneau) qui sont des « optiques » magnétiques qui permettent de conserver au mieux les qualités du faisceau.

Et pour que le faisceau ne subisse aucune déperdition d’énergie qui serait due aux collisions avec des molécules de gaz, toutes ces machines sont soumises à un vide d’environ 10-10 bars que l'on réalise grâce à de nombreuses pompes de divers types.

Au sujet des laboratoires en bout de lignes, comment sont-ils organisés ?

En fait, chaque ligne est composée de 3 cabines successives. Une cabine optique, une cabine expérimentale, et une station de travail où les chercheurs recueillent les données. Au bout de la ligne, lorsque la lumière rentre en contact avec l'échantillon à étudier, de nombreux phénomènes se produisent. L'échantillon absorbe une partie de la lumière, et selon sa nature, il peut par exemple se mettre à fluorescer ou diffracter la lumière.

Je suppose qu'on appelle ce synchrotron SOLEIL à cause de l'anneau et des lignes de lumières qui forment ses rayons ?

En fait, pas uniquement. Son nom vient aussi du fait qu'il s'agit d'une source de lumière mais c'est surtout l'acronyme de Source Optimisée de Lumière à Energie Intermédiaire de LURE. LURE ? C'était le Centre national du rayonnement synchrotron jusqu’en 2003 sur le site d’Orsay. L'acronyme signifie : Laboratoire d’Utilisation du Rayonnement Electromagnétique.

Et il n'y a que certains chercheurs qui peuvent utiliser cet instrument si performant ?

Il y a 140 chercheurs qui travaillent au synchrotron. Avec eux, il y a des ingénieurs qui travaillent sur la machine et les équipements.

Mais il y a surtout des utilisateurs. Ce sont des scientifiques qui travaillent sur un projet et qui ont besoin de réaliser des études avec le synchrotron. Ils soumettent un dossier présentant leur projet à un jury. Mais étant donné toutes les possibilités qu'offre cet instrument, il y a beaucoup de demandes et en moyenne un dossier sur quatre est retenu. Une fois sélectionné, un utilisateur obtient gratuitement un certain nombre d'heures d'utilisation d'une ligne de lumière et est accompagné par des chercheurs de SOLEIL pour réaliser ses études. Mais les utilisateurs peuvent également être des entreprises privées (5 à 10% des utilisateurs) qui peuvent profiter du synchrotron moyennant un financement de quelques milliers d’euros par tranche de 8 heures.

Est-ce qu'il y a d'autres synchrotrons en France ou dans le monde ?

Tout à fait, il y en a une vingtaine dans le monde, mais tous ne sont pas destinés à la même utilisation. SOLEIL lui, est principalement utilisé pour l'étude de la matière à l'échelle de l'atome. A Grenoble se trouve l'ESRF qui est un synchrotron européen. Il partage donc son temps de faisceau entre 11 pays partenaires. En Europe, on en retrouvera en Italie, Allemagne, Suède, Suisse, Grande Bretagne et Espagne.

Ces synchrotrons sont classifiés de « très grands équipements » et pour mieux s’en rendre compte, le mieux c’est encore d’aller le voir soit même. Il est possible de visiter SOLEIL même sans être un chercheur scientifique, et ça vaut le coup !

Plus d’info sur le site de SOLEIL : http://www.synchrotron-soleil.fr/