Physique et Chimie
Voir à travers d’épaisses parois d’acier ou des mètres de béton pour y déceler des matières illicites comme l’uranium ou le plutonium a longtemps relevé du défi physique. Les rayons X, largement utilisés dans l’imagerie médicale et la sécurité aéroportuaire, montrent rapidement leurs limites face à des matériaux très denses. Pour percer ces boucliers, les physiciens se tournent vers les muons, des particules subatomiques aux capacités de pénétration exceptionnelles. Jusqu’à présent, leur production nécessitait des installations colossales. Mais de récentes percées technologiques démontrent qu’il est désormais possible de générer des faisceaux de muons grâce à des accélérateurs compacts utilisant des lasers, ouvrant la voie à des scanners portatifs d’une puissance inédite.
- Des physiciens ont réussi à miniaturiser la production de faisceaux de muons en remplaçant les immenses accélérateurs de particules par des systèmes laser-plasma.
- Les électrons sont accélérés sur quelques centimètres seulement avant de percuter une cible en plomb, générant des muons capables de traverser des conteneurs denses.
- Bien que les dispositifs complets doivent encore être optimisés pour devenir pleinement portables, des essais ont déjà prouvé l’efficacité de cette technologie pour l’imagerie de fret.
Les muons : des sondes subatomiques aux propriétés uniques
Apparentés aux électrons mais environ deux cents fois plus massifs, les muons possèdent une capacité de pénétration exceptionnelle. Tels des rayons X surpuissants, ils traversent aisément la matière dense sans être excessivement déviés ou absorbés. Rajeev Pattathil, chercheur au Rutherford Appleton Laboratory au Royaume-Uni, confirme que ces particules constituent l’outil idéal pour sonder à travers plusieurs mètres de roche, de béton ou de métal.
Historiquement, les scientifiques ont exploité les muons d’origine naturelle, générés par l’interaction des rayons cosmiques avec l’atmosphère terrestre. Ces particules tombant du ciel ont notamment permis de cartographier l’intérieur de volcans ou de révéler des cavités cachées dans les pyramides. En mesurant la quantité de particules absorbées ou diffusées avant et après leur passage, il est possible de déduire la densité des matériaux traversés. Comprendre ces phénomènes repose sur les lois fondamentales de la physique et de la matière, qui régissent le comportement de ces particules élémentaires.
Cependant, cette source naturelle souffre d’un défaut majeur : sa rareté. À la surface de la Terre, on ne compte qu’un seul muon par minute et par centimètre carré. Une cadence incompatible avec les exigences logistiques des ports marchands. Comme le souligne Rajeev Pattathil, il est impensable d’immobiliser un conteneur maritime pendant des heures pour obtenir une simple radiographie. L’alternative consiste donc à créer des faisceaux artificiels de muons pour accélérer considérablement le processus d’imagerie.
De l’accélérateur kilométrique à l’expérience de laboratoire
La production artificielle de muons n’est pas nouvelle, mais elle requérait jusqu’à présent des accélérateurs de particules mesurant parfois plusieurs kilomètres de long, reposant souvent sur de complexes technologies supraconductrices pour générer des champs magnétiques intenses. La donne change aujourd’hui grâce à l’émergence des accélérateurs d’électrons par sillage laser-plasma.
La méthode est ingénieuse : un puissant laser frappe un plasma (un gaz ionisé composé de particules chargées), créant ainsi une onde de sillage électrique. Cette onde entraîne et accélère des électrons à des énergies faramineuses sur des distances extrêmement courtes. Ces électrons de haute énergie sont ensuite précipités contre une cible dense, comme le plomb. Le choc génère alors une cascade de nouvelles particules, dont un précieux faisceau de muons.
C’est précisément la prouesse réalisée par Davide Terzani et son équipe du Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) en Californie. Leurs travaux, publiés le 8 octobre dans la revue Physical Review Accelerators and Beams, démontrent qu’il est possible d’accélérer des électrons jusqu’à 10 milliards d’électrons-volts (GeV) sur une distance d’à peine 30 centimètres — soit moins que la hauteur d’une quille de bowling. L’impact de ces électrons a généré des muons dotés d’énergies atteignant plusieurs milliards d’électrons-volts. Les chercheurs ont pu les identifier formellement grâce à leur temps de désintégration très spécifique, caractérisé par une durée de vie moyenne de 2,2 microsecondes.
Note importante : Pour obtenir des électrons aussi énergétiques avec un accélérateur traditionnel à radiofréquences, il faudrait une machine environ mille fois plus longue que le dispositif plasma mis en place au LBNL.
Une course internationale à l’optimisation
Cette rupture technologique mobilise plusieurs équipes à travers le monde. En Roumanie, au sein de l’installation Extreme Light Infrastructure–Nuclear Physics (ELI-NP), l’équipe du physicien Gianluca Sarri (Université Queen’s de Belfast) a également généré des muons en mesurant la façon dont ces particules déposent leur énergie dans des détecteurs. Leurs résultats, prépubliés sur arXiv en mars dernier, font état de muons atteignant des énergies d’environ 1 GeV. Selon Gianluca Sarri, c’est cette inertie, propre aux muons lourds, qui leur permet de pénétrer profondément dans les cibles sans subir de diffusion excessive.
De son côté, une équipe utilisant la Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility a publié en mai dans Nature Physics des résultats similaires en termes d’énergie. Wentao Wang, physicien à l’Institut d’optique et de mécanique fine de Shanghai, précise que leur étude s’est davantage concentrée sur la caractérisation fondamentale des mécanismes de production de ces muons à hautes énergies, plutôt que sur la formation d’un faisceau resserré destiné à l’imagerie.
Vers des applications concrètes de sécurité
La maîtrise de ces accélérateurs laser constitue une avancée majeure, non seulement pour la sécurité, mais potentiellement pour les physiciens concevant des détecteurs portatifs ou traquant des anomalies qui pourraient, par exemple, orienter les recherches sur la matière noire.
Selon Rajeev Pattathil, ces succès récents découlent directement des améliorations fulgurantes des systèmes lasers, permettant aujourd’hui de propulser des électrons à des vitesses proches de celle de la lumière, condition sine qua non pour engendrer une quantité exploitable de muons.
Les premières validations expérimentales (ou preuves de concept) pour des applications d’inspection sont déjà en cours. À l’Université d’État du Colorado, des chercheurs ont placé un détecteur de muons et un objet en plomb à l’intérieur d’un camion, situé à proximité d’une installation générant un faisceau de muons par laser. Lors d’un atelier scientifique organisé en mars, ils ont révélé que l’objet en plomb avait projeté une « ombre » muonique, clairement visible sur le détecteur. Jaron Shrock, physicien à l’Université du Maryland et co-auteur de l’étude de Berkeley, estime que cette expérience marque les prémices d’une véritable application industrielle.
S’il reste encore des défis d’ingénierie pour miniaturiser l’ensemble de l’appareillage laser lui-même et le rendre mobile sur un port, le principe physique est désormais prouvé. La radiographie muonique à haute vitesse semble ainsi en bonne voie pour quitter les laboratoires fondamentaux et intégrer le monde réel.
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