Accélérer les protons avec de fortes impulsions laser, ce concept encore jeune promet de nombreux avantages par rapport aux accélérateurs conventionnels. Par exemple, il semble possible de construire des installations beaucoup plus compactes. Cependant, les prototypes à ce jour, dans lesquels des impulsions laser sont envoyées sur des feuilles métalliques ultra-minces, présentent des faiblesses, notamment en ce qui concerne la fréquence à laquelle ils peuvent accélérer les protons.
Au Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), un groupe de travail international a testé une nouvelle technique : dans cette approche, l’hydrogène gelé agit comme une « cible » pour les impulsions laser. À l’avenir, la méthode pourrait servir de base à des concepts avancés de thérapie antitumorale, comme le décrit l’équipe dans la revue Communication Nature.
Les accélérateurs de protons conventionnels tels que le Grand collisionneur de hadrons du CERN à Genève sont basés sur l’accélération des particules via de fortes ondes radiofréquences. En accélération laser, en revanche, des impulsions lumineuses ultra-lumineuses donnent un coup de pouce aux particules : des impulsions laser extrêmement courtes et puissantes sont envoyées sur des feuilles métalliques ultra-minces.
La lumière chauffe le matériau à tel point que les électrons sont éjectés en grand nombre, tandis que les noyaux atomiques lourds restent en place. Puisque les électrons sont chargés négativement et que les noyaux atomiques sont chargés positivement, un fort champ électrique se forme entre eux.
Ce champ peut alors lancer une impulsion de protons avec une force énorme sur une distance de quelques micromètres seulement, les amenant ainsi à des énergies pour lesquelles des systèmes beaucoup plus longs seraient nécessaires avec la technologie classique des accélérateurs. Un autre avantage : « Avec l’accélération laser, nous pouvons regrouper un grand nombre de particules dans un seul paquet de protons », explique le physicien du HZDR, le Dr Karl Zeil. « Cela pourrait être intéressant pour la radiothérapie des tumeurs. »
Cependant, la méthode précédente de tir d’impulsions laser sur des feuilles métalliques présente des inconvénients. Premièrement, il est difficile de générer plusieurs impulsions de protons par seconde : la feuille est déjà détruite par un seul tir laser et doit donc être remplacée encore et encore. Deuxièmement, le processus d’accélération est assez complexe et relativement difficile à contrôler. La raison : les protons à accélérer proviennent d’hydrocarbures qui se sont accumulés sur les feuilles métalliques en tant que couche de contaminants, ce qui n’est pas exactement idéal pour un contrôle parfait de l’expérience.
Filament au lieu de papier d’aluminium
Par conséquent, l’équipe de recherche germano-américaine autour de Karl Zeil a proposé une alternative : « Au lieu d’une feuille métallique, nous utilisons un jet d’hydrogène fin et fortement refroidi », explique le chercheur. « Ce jet sert de cible pour nos impulsions laser à haute intensité. »
Plus précisément, les experts refroidissent l’hydrogène gazeux dans un bloc de cuivre à un point tel qu’il devient liquide. L’hydrogène liquide s’écoule ensuite à travers une buse dans une chambre à vide. Il se refroidit ainsi davantage et se solidifie en un filament d’une épaisseur micrométrique : la cible des impulsions laser. Et puisque le filament d’hydrogène se renouvelle, le laser a une nouvelle cible intacte en vue pour chaque tir.
Un autre avantage est que la configuration permet un mécanisme d’accélération plus favorable : au lieu de simplement chauffer le matériau, les impulsions laser utilisent la pression de rayonnement pour pousser les électrons hors de l’hydrogène et créer les champs électriques extrêmes nécessaires pour accélérer les protons. L’équipe a pu optimiser le processus en envoyant une impulsion lumineuse courte et plus faible devant l’impulsion laser principale.
Cela a préchauffé le filament d’hydrogène gelé, le faisant se dilater et sa section transversale passer de cinq micromètres à plusieurs fois cette taille. Cela a permis d’augmenter la distance d’accélération et d’optimiser le processus.
Perspectives de la thérapie tumorale
Le résultat : « Nous avons pu amener des protons jusqu’à une énergie de 80 MeV », rapporte Karl Zeil. « C’est proche du précédent record d’accélération de protons laser. Mais contrairement aux installations précédentes, notre technique a le potentiel de générer plusieurs paquets de protons par seconde. »
De plus, le processus d’accélération est relativement facile à simuler pour les cibles d’hydrogène à l’aide d’un calcul haute performance, une tâche qui a également impliqué le Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) du HZDR. « Cela nous permet de mieux comprendre et d’optimiser l’interaction entre le laser et la matière », a déclaré Zeil. Maintenant, les experts veulent utiliser des algorithmes d’IA pour augmenter le « taux de réussite » entre les impulsions laser et le jet d’hydrogène gelé.
La technologie pourrait être intéressante pour un futur type de radiothérapie. Déjà aujourd’hui, certaines tumeurs sont irradiées avec succès avec des protons. L’accélération du laser pourrait augmenter la dose et donc raccourcir le temps d’irradiation. Et, comme le suggère une étude HZDR, cela pourrait mieux protéger les tissus sains entourant la tumeur.
Plus d’information:
Martin Rehwald et al, Accélération laser à impulsions ultra-courtes de protons à 80 MeV à partir de jets d’hydrogène cryogéniques adaptés à une densité quasi-critique, Communication Nature (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-39739-0