Les accélérateurs de particules pourraient être incroyablement utiles pour la médecine, s’ils n’étaient pas si énormes. Le Laboratoire national de l’accélérateur SLAC, par exemple, mesure près de 3,2 km de long, tandis que le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, entre la France et la Suisse, mesure 27 km de long. Comme l’indique leur nom, ces installations accélèrent des particules pour les faire entrer en collision afin découvrir de nouvelle particule résultant du choc, comme la particule de Dieu (aka le boson de Higgs).

Récemment, des scientifiques de l’université Stanford ont réussi à réduire la taille de cette technologie pour la faire tenir sur une puce informatique, ce qui pourrait permettre de mettre au point des radiothérapies plus précises contre le cancer.

Image d’entête : cette image, agrandie 25 000 fois, montre une section d’un accélérateur sur une puce. Les structures grises concentrent la lumière laser infrarouge (en jaune et en violet) sur les électrons qui circulent dans le canal central. En regroupant 1 000 canaux sur une puce de la taille d’un pouce, les chercheurs de Stanford espèrent accélérer les électrons à 94 % de la vitesse de la lumière. (Neil Sapra)

Dans les accélérateurs ordinaires, les particules sont acheminées par des tubes à vide et accélérées à des vitesses incroyablement élevées. L’accélérateur SLAC augmente la vitesse de ses particules en les irradiant avec des micro-ondes, tandis que le LHC utilise des électroaimants supraconducteurs.

La circonférence du LHC et celle de son projet d’un très grand collisionneur de particules, FCC, de 100 km de long. (CERN)

Les machines nécessaires à cette opération rendent ces systèmes très encombrants et difficiles à réduire pour les hôpitaux et les petites installations scientifiques. Dans le passé, le CERN a réussi à créer un prototype plus petit qui mesure environ 2 m de long et maintenant une équipe de Stanford et du SLAC a créé une version encore plus petite qui tient sur une seule puce de silicium.

Grâce à cette nouvelle conception, les électrons sont acheminés à travers un canal scellé sous vide, long de 30 micromètres et plus fin qu’un cheveu humain. Plutôt que d’utiliser des micro-ondes ou des aimants, l’appareil de Stanford accélère ses particules à l’aide de lumière infrarouge, qui est acheminée par des fils de silicium qui traversent les parois du canal. Un laser infrarouge émet des impulsions 100 000 fois par seconde, envoyant à chaque fois une rafale de photons qui frappent les électrons juste pour les accélérer.

Dans sa forme actuelle, cet accélérateur de particules sur puce n’est pas prêt pour une utilisation pratique, mais il montre que le concept fonctionne. Pour l’instant, il n’a réussi à donner aux électrons qu’un coup d’énergie de 0,915 kiloélectronvolts (keV), soit environ 1000 fois moins que ce qui est nécessaire pour la recherche ou les applications médicales.

D’ici la fin de l’année, l’équipe vise 1 méga électronvolt (MeV), soit environ 1000 fois plus d’énergie que la forme actuelle. La démarche est assez simple : les chercheurs reproduiront 1 000 fois le même tronçon de canal, qui devrait tenir sur une puce de seulement 2,5 cm de long.

À quoi peut donc servir un accélérateur de particules sur une puce ? Les chercheurs affirment que la première application pourrait être des thérapies anticancéreuses plus ciblées. Par exemple, un tube à vide pourrait être inséré dans un patient avec une extrémité dirigée directement vers une tumeur. Les électrons accélérés par ce dispositif pourraient être canalisés dans ce tube pour frapper directement les cellules cancéreuses sans toucher les cellules saines qui se trouvent à proximité.

L’étude publiée dans Science : On-chip integrated laser-driven particle accelerator et présentée sur le site de l’université Standford : Stanford researchers build a particle accelerator that fits on a chip, miniaturizing a technology that can now find new applications in research and medicine.