Le nouvel accélérateur de particules du projet «Spiral2», au centre de recherche Ganil à Caen, sera prêt à fonctionner l'an prochain.

Enterré dix mètres sous terre en Normandie, à cheval sur Caen et sa banlieue nord, le centre de recherche du Grand Accélérateur national d’ions lourds (Ganil) paraît à la fois modeste et impressionnant. Modeste, car on associe inconsciemment l’idée d’un accélérateur de particules à l’interminable tunnel (27 kilomètres) du Grand collisionneur d’hadrons (LHC) à Genève, où les techniciens et scientifiques ont l’air de fourmis quand ils resserrent un boulon dans ce monstre de fils multicolores. Au Ganil, rien de tout cela : le nouvel accélérateur du projet «Spiral2», qui est inauguré cette semaine, fait seulement 40 mètres de long, et la série de boîtiers, cuves et autres bidules que traversent les particules sur cette distance sont à peine plus hauts que nous. Mais ils cachent bien leur jeu…

A lire aussi : Un accélérateur de particules, comment ça marche ?

Quand l’installation sera allumée pour ses premières expériences de physique nucléaire, l’an prochain, elle permettra de mettre au point de futurs traitements contre le cancer, et tentera de fabriquer les noyaux d’atomes les plus lourds au monde, pour mieux les comprendre. On pourra ainsi faire la course avec les chercheurs Russes, par exemple, qui se sont illustrés cette année en ajoutant quatre nouveaux éléments dans le tableau périodique de Mendeleïev.

Introuvables dans la nature

Le cancer et la découverte du moscovium, quel rapport ? Les noyaux d’atome, bien sûr, qui renferment encore beaucoup de secrets pour la physique moderne. Pour rappel, chaque atome est composé d’un noyau autour duquel gravitent des électrons. Dans le noyau, il y a des neutrons et des protons.

Un noyau d’atome lourd, avec beaucoup de protons et beaucoup de neutrons. D’après l’image de Burkhard Heuel-Fabianek. (CC BY)

Rien qu’avec ces informations de base, il reste des tas de découvertes à faire et d’expériences à essayer. La grande annonce de janvier 2016 était, par exemple, que quatre nouveaux atomes ont été synthétisés en laboratoire : les numéros 113, 115, 117 et 118, qui ont respectivement 113, 115, 117 et 118 protons. Cela donne un noyau «superlourd» (c’est le terme scientifique). Introuvables dans la nature, on les fabrique en fusionnant deux noyaux plus légers, et ils servent à comprendre comment réagit un noyau d’atome obèse dans toutes les conditions, entre autres de température et de pression.

Schéma classique d’un proton, constitué de trois quarks liés ensemble par «l’interaction forte». C’est aussi elle qui lie entre eux les protons et les neutrons. (Schéma Arpad Horvath, CC BY SA)

Et puis, est-ce que la force qu’on appelle «interaction forte», et qui agit comme un aimant pour lier les protons et les neutrons entre eux, obéit aux mêmes règles quand elle doit gérer trois neutrons que 116 ? On sait que non, mais il faut creuser. «Les propriétés de l’interaction forte changent quand un noyau compte beaucoup de neutrons», explique le chercheur au CNRS Hervé Savajols, coordinateur scientifique de Spiral2. «Alors, on veut répondre à des questions comme "combien de neutrons un proton peut-il lier ?"»

Spiral2 pourra synthétiser dès 2017 ces noyaux superlourds. Peut-être alors qu’en France aussi, on découvrira de nouveaux éléments de synthèse. Mais on peut aussi créer des atomes inédits en faisant varier le nombre de protons et de neutrons pour des éléments déjà existants. Prenons le radium, par exemple. Celui découvert par Pierre et Marie Curie comptait 88 protons et 138 neutrons. Mais on peut lui enlever des neutrons pour qu’il n’en ait plus que 120, ou 113… Ou lui rajouter des neutrons, jusqu’à 147 par exemple : où est la limite ?

La «carte des noyaux» d’atomes connus à ce jour. En blanc, les noyaux qui existent à l’état naturel. En bleu, tous les noyaux que l’on peut théoriquement créer en faisant varier le nombre de protons ou de neutrons («noyaux exotiques»). Les zones cerclées de rouge sont les domaines que compte explorer Spiral2.

Cibler très précisément les tumeurs

Mais toutes les possibilités ouvertes par Spiral2 ne relèvent pas de la recherche fondamentale : il y a aussi beaucoup d’applications pour la médecine et l’industrie, auxquelles le Ganil ouvre ses portes et prête son nouvel accélérateur. On pourra y travailler sur la résistance des composants électroniques aux radiations, par exemple, ou la réduction des déchets nucléaires. Les candidats de l’industrie devront acheter le «temps de faisceau», c’est-à-dire le temps d’utilisation des équipements Spiral2, et font déjà la queue aujourd’hui. Leurs dossiers seront étudiés chaque année. Quant à la recherche en physique, les projets seront sélectionnés «sur l’excellence» par un comité dédié et la liste d’attente court déjà sur plusieurs années.

Création d’ions lourds et de protons, à partir d’atomes sortant d’une bouteille de gaz, à la source de l’accélérateur de Spiral2. (Photo Philippe Stroppa. CEA-CNRS)

Le directeur du Ganil, Florent Staley, est satisfait de constater que cette ouverture aux applications industrielles n’a pas rebuté les scientifiques qui manieront l’accélérateur : «On a eu plein de volontaires pour travailler au Ganil. Les physiciens d’aujourd’hui sont descendus de leur tour d’ivoire ; ils ont envie d’aider à résoudre des problèmes sociétaux.»

Spiral2 devrait notamment aider la médecine à faire un grand bond dans le traitement des cancers, en produisant des éléments radioactifs qui cibleront très précisément les tumeurs, là où la radiothérapie actuelle laisse à désirer car elle brûle les tissus superficiels avant d’atteindre les cellules cancéreuses. Le Ganil travaille déjà depuis 2013 sur l'«hadronthérapie» : au lieu d’envoyer des rayons X, on envoie sur la tumeur des faisceaux de protons ou d’ions carbone, et on peut mieux régler la profondeur à laquelle ils agissent en réglant l’énergie du faisceau.

Courbes de rendement, en profondeur dans le corps, des faisceaux de rayons X, par rapport aux protons et ions carbone utilisés en hadronthérapie, pour traiter une tumeur. (Schéma Xibur. CC BY SA)

Avec le nouvel accélérateur, il pourra aussi produire un élément radioactif appelé astate 211 (parce qu’il compte 211 neutrons et protons), très prometteur car on peut l’incorporer à un anticorps spécifique à la tumeur. Plus de problèmes de débordement : c’est le top en matière de ciblage. «Tout cela est au stade de l’étude, rappelle Florent Staley, on est encore loin du médicament.» Mais la construction (en cours) sur le campus du Ganil du centre Archade, dédié à la recherche en hadronthérapie, et une future synergie avec le CHU et le centre de recherche Blaclesse, aideront à faire de Caen «la première place en France pour la santé nucléaire».