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Mardi 19 Juin 2018

SCIENCE - Publié le 30/08/2017 à 15:27


Un laser X ultra-puissant pour percer les secrets de la matière



Il va permettre aux chercheurs de sonder plus profondément les secrets de la matière à l'échelle atomique: le plus grand laser dans le domaine des rayons X au monde, European XFEL, sera inauguré vendredi en Allemagne, laissant espérer des avancées en biologie et en médecine notamment.

Cet équipement de pointe, soutenu par onze pays, plus particulièrement l'Allemagne et la Russie, mais aussi la France et la Suisse, s'étend sur 3,4 kilomètres dans les environs d'Hambourg.

"C'est la plus grande et la plus puissante source de rayons X fabriquée par l'homme, au monde", déclare à l'AFP Olivier Napoly, du CEA (Commissariat à l'énergie atomique) français, qui a participé à la construction de l'équipement.

Le Laser Européen à Electrons Libres et à rayons X (X-Ray Free Electron Laser) comprend plusieurs tunnels souterrains dont l'un, qui s'enfonce jusqu'à 38 mètres sous terre, abrite un long accélérateur linéaire à électrons.

Ce laser X pourra produire jusqu'à 27.000 flashs de rayons X par seconde. Un énorme bond comparé aux 120 flashs par seconde émis par un laser américain du même type (LCLS de Stanford) et aux 60 flashs générés par un autre au Japon (SACLA).

Le laser européen à électrons libres et à rayons X aura "la plus grande brillance moyenne au monde", déclare à l'AFP Robert Feidenhans'l, président du conseil d'administration de European XFEL.

La brillance mesure le nombre de photons (particule de lumière) générés à une certaine longueur d'onde. "A son pic, celle du laser European XFEL sera 1 milliard de fois plus grande que celle des synchrotrons, les meilleures sources de rayons X conventionnelles", assurent ses concepteurs.

Cet équipement est "comme une caméra et un microscope et il va permettre de voir les plus petits détails et processus jamais encore observés dans le nanomonde", ajoute Robert Feidenhans'l.

"Les applications seront nombreuses. Cela va de la médecine à la biologie, la chimie et la science des matériaux", dit-il.

Grâce à sa brillance impressionnante, les scientifiques vont pouvoir "observer dans les détails des virus à l'échelle atomique, déchiffrer la composition moléculaire des cellules, prendre des images en trois dimensions du nanomonde, et étudier des procédés similaires à ceux qui se produisent à l'intérieur des planètes", soulignent les responsables de ce laser.

1,5 milliard d'euros

La durée des flashs de rayons X étant extrêmement courte, les chercheurs vont pouvoir également réaliser "des films" de processus ultra-rapides, comme les réactions chimiques ou les changements dans les biomolécules, ajoutent-ils.

C'est le centre de recherche allemand DESY (Deutsches-Elektronen-Synchrotron) à Hambourg qui est à l'origine de ce projet, ayant lui-même développé un petit laser à électrons libres expérimental.

European XFEL a fait ensuite l'objet d'un accord intergouvernemental en 2009 en raison de son ambition et de son coût. Dix pays européens et la Russie ont contribué, en espèces ou en nature. Le Royaume Uni a promis de les rejoindre prochainement.

La construction de ce centre de recherche a coûté 1,22 milliard d'euros (prix de 2005). Soit 1,5 milliard d'euros "grosso modo" avec l'inflation, précise l'organisation.

Apparus en 1977, les lasers à électrons libres (l'électron est dit libre lorsqu'il est dissocié du noyau d'un atome), s'appuient sur un faisceau d'électrons à haute énergie. Celui de Hambourg agit dans le domaine des rayons X.

European XFEL est un laser à électrons libres de quatrième génération, qui implique un accélérateur linéaire (et non en anneau comme les synchrotrons, lasers de troisième génération).

Après avoir été générés par un canon à électrons, ces derniers sont accélérés dans des cavités spéciales supraconductrices, refroidies à l'hélium (à -271 degrés Celsius), au nombre de 800. Les électrons montent progressivement à de très hauts niveaux d'énergie, explique Olivier Napoly.

Les électrons effectuent ensuite une course à travers des onduleurs dont les aimants les contraignent à effectuer une sorte de slalom très serré.

Ils émettent alors des photons et le phénomène va "s'autoamplifier" par interaction entre les électrons et les photons. A la fin du parcours les chercheurs disposent de flashs de rayons X très courts et très intenses.

Les scientifiques piaffent pour être les premiers à expérimenter l'équipement qui va monter progressivement en puissance. "Il y a une forte compétition entre les chercheurs pour obtenir du temps de faisceau", reconnaît Robert Feidenhans'l.

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