Des chercheurs dirigés par Kiyoshi Ueda de l'Université de Tohoku ont étudié ce que font réellement les rayons X dans la matière et identifié un nouveau mécanisme de production d'électrons libres de faible énergie. Puisque les électrons de basse énergie causent des dommages à la matière, le processus identifié pourrait être important pour comprendre et concevoir le traitement radiologique des maladies.

Les rayons X sont l'un des outils de diagnostic les plus importants en médecine, biologie et sciences des matériaux, car ils peuvent pénétrer profondément dans un matériau opaque à l'œil humain. Leur passage à travers un échantillon, cependant, peut avoir des effets secondaires, car l'absorption des rayons X dépose de l'énergie dans les couches profondes de l'échantillon. Dans des cas extrêmes, l'application des rayons X est limitée par ces effets secondaires, connu sous le nom de « dommages causés par les radiations ». La médecine est un domaine dans lequel la dose de rayons X absorbée doit être minimisée.

Étonnamment, on ne sait pas ce qui se passe lorsqu'un rayon X est absorbé, par exemple, dans des tissus biologiques constitués d'eau, biomolécules et certains atomes métalliques. L'une des raisons en est que les premières étapes des réactions après l'absorption d'un rayon X, arriver extrêmement vite, dans les 10-100 femtosecondes. Une femtoseconde est l'unité de temps SI égale à 10?15. Pour le dire autrement, c'est un millionième d'un milliardième de seconde.

Dans ce laps de temps, dans une cascade complexe d'événements, plusieurs électrons sont émis, et des particules réactives chargées positivement (ions) sont créées. La plupart des expériences réalisées jusqu'à présent n'ont pu caractériser cet état final que longtemps après la fin de la réaction en cascade. Cependant, c'est la compréhension précise des étapes intermédiaires qui est très importante pour la prédiction et la conception des effets des rayonnements dans la matière.

L'équipe a maintenant réalisé une expérience qui a permis d'obtenir une vue détaillée sans précédent des premières centaines de fs après l'absorption d'un rayon X par la matière.

Dans un système biologique, beaucoup de molécules d'eau sont disposées de manière flexible autour des molécules biologiquement fonctionnelles, sans les lier fortement.

En tant que système modèle pour cela, une souplesse, agrégat faiblement lié de deux gaz rares différents, Ne et Kr, a été créé en les refroidissant à des températures extrêmement basses. Ces amas de Ne-Kr ont ensuite été exposés aux rayons X pulsés de la source de rayonnement synchrotron SPring-8 qui, dans les conditions choisies pour l'expérimentation, des atomes de Ne préférentiellement ionisés.

En utilisant un dispositif expérimental avancé, l'équipe a pu enregistrer tous les électrons et ions créés à chaque événement d'absorption de rayons X. Ils ont découvert que quelques centaines de fs après l'ionisation initiale, l'atome Ne qui avait absorbé le rayon X, ainsi que deux atomes de Kr voisins, étaient tous dans un ionisé, état chargé positivement.

Le mécanisme par lequel s'effectue cette redistribution ultrarapide des charges, proposé théoriquement par le membre de l'équipe de recherche Lorenz Cederbaum, a été nommé 'Electron Transfer Mediated Decay' (ETMD). Il consiste en un transfert d'électrons vers l'atome de Ne ionisé à l'origine, assorti d'un transfert d'énergie loin du Ne, ce qui conduit à l'ionisation du deuxième atome de Kr à proximité. L'expérience démontre clairement que la charge très localisée produite par les rayons X dans la matière, redistribue sur de nombreux sites atomiques en un temps étonnamment court.

Kiyoshi Ueda déclare :« Nous pensons que la compréhension des processus initiés par les rayons X à un niveau microscopique conduira à de nouvelles connaissances dans les disciplines de la physique, biologie et chimie.

Ces résultats ont été publiés dans la revue scientifique Communication Nature .