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La physique des particules au quotidien

Pierre Henriquet
Pierre Henriquet
docteur en physique nucléaire
En bref
  • La recherche des composants fondamentaux de l’univers n’a commencé qu’au XIXème siècle avec Compton et de Broglie qui ont découvert la nature quantique des rayons X pour l’un et les propriétés ondulatoires des particules pour l’autre.
  • L’une des techniques de la physique des particules s’articule autour du dopage. Il s’agit là d’introduire des « impuretés » dans le cristal de silicium afin de modifier les propriétés électriques du milieu.
  • L'une des applications de la physique des particules se trouve dans l’agroalimentaire, permettant, grâce à l'irradiation, de prolonger la durée de conservation des aliments.
  • Ainsi, en France, en 2014, 370 000 hectares de cultures de tournesol – soit 56% de la production – étaient issus de semis obtenus par mutagénèse (irradiation gamma).
  • Mais la physique des particules s’applique aussi à la médecine en permettant d’éliminer des cellules dans le sang dans les poches servant à la transfusion mais aussi à l’imagerie médicale.

La recherche de la nature des com­posants fon­da­men­taux de l’Univers a vrai­ment débuté au début du XXème 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.

Des atomes pour l’électronique

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.

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Sché­ma d’implantation ion­ique dans un cristal de sili­ci­um (crédit Masashi Kato, Nagoya Insti­tute of Tech­nol­o­gy 1).

Irradiation des matériaux

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. 

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Ténac­ité de l’acier d’une cuve de réac­teur à eau pres­surisée avant (bleu) et après (vert) irra­di­a­tion ©CEA 2 

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.

La physique des particules et le vivant

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…).

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Insti­tute of Radi­a­tion Breed­ing de Kamimu­ra­ta au Japon où de nou­velles souch­es végé­tales sont créées par mutagénèse gam­ma (crédit : Google Map).

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.

La physique des particules et la médecine

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).

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Exa­m­en TEP (Tomo­gra­phie par Emis­sion de Posi­tons) où l’atome de Flu­or-18 radioac­t­if est lié à des molécules de glu­cose (à gauche) et de dopamine (à droite). Crédit : Fred­er­ic Compte pour Med​nuc​.net 3.

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.

1https://​www​.nitech​.ac​.jp/​e​n​g​/​n​e​w​s​/​2​0​2​1​/​9​2​6​7​.html
2https://​www​.cea​.fr/​D​o​c​u​m​e​n​t​s​/​m​o​n​o​g​r​a​p​h​i​e​s​/​m​o​n​o​g​r​a​p​h​i​e​-​m​a​t​e​r​i​a​u​x​-​d​u​-​n​u​c​l​e​a​i​r​e​-​i​n​t​r​o.pdf
3https://​www​.med​nuc​.net/​c​a​s​c​l​i​n​i​q​u​e​/​t​u​m​e​u​r​-​n​e​u​r​o​-​e​n​d​o​c​r​i​n​e​-​g​r​e​l​e​-​t​e​p​-​f​d​g​-​f​d​o​p​a​-​o​c​t​r​e​o​scan/