La physique des particules au quotidien

La recherche de la nature des com­po­sants fon­da­men­taux de l’Univers a vrai­ment débu­té au début du XX^ème siècle. Les « atomes » ima­gi­nés par Démo­crite 300 ans avant J.C. ont réel­le­ment com­men­cé à être com­pris lors­qu’on s’est aper­çu que, contrai­re­ment à leur éty­mo­lo­gie (a‑tomos = insé­cable, qui ne peut être divi­sé en élé­ments plus petits), les atomes étaient eux-mêmes com­po­sés d’éléments plus petits encore. 

Des par­ti­cules qui, en l’état actuel des choses, sont les élé­ments les plus fon­da­men­taux de la matière. Mais comme sou­vent dans l’évolution des sciences, des recherches qui, au départ, n’a­vaient d’autre but que de com­prendre en détail les lois de la nature et ses com­po­sants, ont débou­ché sur des appli­ca­tions qui ont pro­fon­dé­ment modi­fié notre vie cou­rante. Com­ment la phy­sique des par­ti­cules a‑t-elle fait sa place dans notre quo­ti­dien ? C’est ce que nous allons voir.

Le prin­cipe géné­ral est sou­vent le même : diri­ger un fais­ceau de par­ti­cules vers une cible et en étu­dier ou uti­li­ser les effets. En fonc­tion du type de par­ti­cules uti­li­sées et de la cible choi­sie, les consé­quences (et les uti­li­sa­tions) seront très diverses.

Com­men­çons par ce sans quoi je n’aurais pu écrire cet article : l’électronique.

Le prin­cipe de base de toute l’électronique moderne est l’utilisation du sili­cium, qui appar­tient à la classe des « semi-conduc­teurs ». Un semi-conduc­teur se carac­té­rise par la quan­ti­té de por­teurs de charge qu’il pos­sède (élec­trons ou lacunes d’électrons appe­lées « trous »). Pour aug­men­ter ce nombre de por­teurs de charge, on intro­duit des « impu­re­tés » dans le cris­tal de sili­cium, des atomes qui vont ajou­ter ou enle­ver des élec­trons et ain­si modi­fier loca­le­ment les pro­prié­tés élec­triques du milieu. C’est ce qu’on appelle le dopage.

Ce dopage doit être réa­li­sé de manière extrê­me­ment pré­cise : il faut qu’une par­tie du cris­tal de sili­cium soit dopé en excès d’électrons tan­dis que, quelques micro­mètres plus bas, une autre par­tie doit être dopée avec des atomes qui lui enlèvent ces mêmes électrons.

L’insertion arti­fi­cielle de ces atomes dopants peut se faire par « implan­ta­tion ionique » : On les accé­lère grâce à un champ élec­trique qui leur donne une éner­gie plus ou moins grande, ce qui leur per­met de s’enfoncer plus ou moins pro­fon­dé­ment dans le sub­strat pour doper cer­taines couches à des pro­fon­deurs pré­ci­sé­ment déterminées.

L’irradiation des maté­riaux peut d’ailleurs être volon­taire ou invo­lon­taire. Mais dans tous les cas, elle modi­fie leur micro­struc­ture, et c’est pour­quoi elle sera uti­li­sée ou étu­diée afin de mieux connaître les pro­prié­tés de ces maté­riaux et leur évo­lu­tion dans le temps.

L’implantation ionique que nous avons vue ci-des­sus est un pro­cé­dé de trai­te­ment de sur­face qui s’applique dans bien d’autres situa­tions que l’électronique. Elle per­met de modi­fier la com­po­si­tion chi­mique et la struc­ture de sur­face d’un maté­riau. En fonc­tion de la nature du sub­strat et de l’ion implan­té, cer­taines pro­prié­tés méca­niques ou chi­miques de la sur­face (dure­té, résis­tance à l’usure, fatigue, résis­tance à la cor­ro­sion…) peuvent ain­si être opti­mi­sées sans pour autant modi­fier ses pro­prié­tés principales.

C’est prin­ci­pa­le­ment dans le sec­teur nucléaire qu’on étu­die le phé­no­mène de vieillis­se­ment sous irra­dia­tion. Au cœur des cen­trales nucléaires actuelles, l’acier subit une irra­dia­tion intense pro­ve­nant des barres de com­bus­tible radio­ac­tif uti­li­sées pour ali­men­ter l’installation. La cuve du réac­teur, par exemple, est un com­po­sant non rem­pla­çable. Il est vital de connaître et d’anticiper le vieillis­se­ment de sa struc­ture au fil des décen­nies d’utilisation. 

Mais ces tra­vaux servent aus­si aux pro­chaines géné­ra­tions de réac­teurs, dont les condi­tions de tem­pé­ra­ture et d’irradiation seront encore plus exi­geantes qu’aujourd’hui, sans par­ler des futurs réac­teurs à fusion ther­mo­nu­cléaires, comme ITER, dont les maté­riaux au contact du plas­ma subissent une intense irra­dia­tion de neutrons.

Dans le domaine de l’agro-alimentaire, l’irradiation des ali­ments est l’une des méthodes uti­li­sées pour pro­lon­ger leur durée de conser­va­tion. Cette tech­nique per­met d’arrêter le pro­ces­sus de ger­mi­na­tion (pommes de terre, graines…) et de tuer les para­sites, moi­sis­sures et micro-orga­nismes res­pon­sables de la dété­rio­ra­tion et/ou du pour­ris­se­ment des aliments.

Pour ce faire, on uti­lise 3 types de rayon­ne­ments : les rayons X ou gam­ma (ɣ) (qui sont deux types de rayon­ne­ments élec­tro­ma­gné­tiques, comme la lumière, mais dont l’énergie est bien plus éle­vée que la par­tie visible par l’œil), ou des accé­lé­ra­teurs d’électrons.

Cette tech­nique ne sté­ri­lise tou­te­fois pas tota­le­ment les ali­ments (qui doivent tout de même être embal­lés et cuits cor­rec­te­ment), mais elle ralen­tit leur dété­rio­ra­tion et per­met de les conser­ver plus long­temps. Elle empêche aus­si les insectes et autres rava­geurs de se repro­duire dans les pro­duits frais com­mer­cia­li­sés en les détruisant.

L’irradiation par rayons gam­ma est aus­si uti­li­sée en agri­cul­ture. On l’appelle muta­gé­nèse par irra­dia­tion gam­ma. Le prin­cipe est de simu­ler (et d’accélérer) le pro­ces­sus de muta­tion géné­tique qui sur­vient natu­rel­le­ment dans le monde du vivant. Cette tech­nique, uti­li­sée depuis les années 1950, per­met de sélec­tion­ner de nou­velles souches végé­tales pré­sen­tant des muta­tions sont favo­rables (goût, cou­leur, crois­sance, taille du fruit…).

Ain­si, en France, en 2014, 370 000 hec­tares de cultures de tour­ne­sol – soit 56% de la pro­duc­tion – étaient issus de semis obte­nus par muta­gé­nèse. Au Texas, 75% des pam­ple­mousses culti­vés sont de la varié­té Rio Star (plus rouge et plus sucré), pro­duite elle aus­si par le pro­ces­sus de mutagénèse.

Le milieu médi­cal béné­fi­cie aus­si des avan­tages qu’offrent les accé­lé­ra­teurs d’électrons en matière de sté­ri­li­sa­tion du maté­riel. L’utilisation de sources radio­ac­tives de césium-137 per­met éga­le­ment de trai­ter les poches san­guines grâce aux rayons gam­ma émis, afin d’éliminer cer­taines cel­lules sus­cep­tibles d’entraîner une mala­die mor­telle chez les patients néces­si­tant une trans­fu­sion. Plus anec­do­tique, les solu­tions salines uti­li­sées pour net­toyer et conser­ver les len­tilles de contact sont aus­si sté­ri­li­sées par irradiation.

En méde­cine nucléaire, l’utilisation de réac­teurs nucléaires ou d’accélérateurs de par­ti­cules per­met de créer des com­po­sés radio­ac­tifs n’existant pas natu­rel­le­ment sur Terre (car ils se dés­in­tègrent en des temps allant de la minute à la jour­née). Pour­tant, ces élé­ments sont très impor­tants, à la fois en termes d’imagerie diag­nos­tique (par exemple la Tomo­gra­phie par Emis­sion de Posi­tons qui uti­lise un élé­ment radio­ac­tif : le fluor-18 ou la scin­ti­gra­phie avec le tech­né­tium-99) mais aus­si thé­ra­peu­tique (l’iode-131 pour le trai­te­ment du can­cer de la thyroïde).

Actuel­le­ment, une nou­velle tech­nique d’irradiation de tumeurs can­cé­reuse est en cours de déve­lop­pe­ment : l’hadronthérapie. Cette tech­nique uti­lise un accé­lé­ra­teur de par­ti­cules pour cibler, à l’intérieur du corps du patient, des tumeurs dif­fi­ciles à trai­ter avec les autres tech­niques conven­tion­nelles (sou­vent des tumeurs céré­brales). Il s’agit d’une tech­nique de radio­thé­ra­pie extrê­me­ment ciblée, dont les avan­tages, en termes de pré­ci­sion et de radio­pro­tec­tion du patient, laissent espé­rer qu’outre l’Allemagne et de l’Italie, un centre puisse, dans les années qui viennent, être construit en France.