Un faisceau de protons généré par laser standard est créé en tirant une impulsion laser sur une fine feuille métallique. La nouvelle méthode consiste plutôt à diviser d'abord le laser en deux impulsions moins intenses, avant de tirer à la fois sur la feuille sous deux angles différents simultanément. Lorsque les deux impulsions se heurtent sur la feuille, les champs électromagnétiques résultants chauffent la feuille de manière extrêmement efficace. La technique produit des protons d'énergie plus élevée tout en utilisant la même énergie laser initiale que la méthode standard. Crédit :Yen Strandqvist/Université de technologie de Chalmers
Des chercheurs de l'Université de technologie Chalmers de Suède et de l'Université de Göteborg présentent une nouvelle méthode qui peut doubler l'énergie d'un faisceau de protons produit par des accélérateurs de particules à laser. La percée pourrait conduire à plus compact, un équipement moins cher qui pourrait être utile pour de nombreuses applications, y compris la protonthérapie.
La protonthérapie consiste à tirer un faisceau de protons accélérés sur des tumeurs cancéreuses, les tuer par irradiation. Mais l'équipement nécessaire est si volumineux et coûteux qu'il n'existe que dans quelques endroits dans le monde.
Les lasers modernes de haute puissance offrent la possibilité de réduire la taille et le coût de l'équipement, car ils peuvent accélérer les particules sur une distance beaucoup plus courte que les accélérateurs traditionnels, réduisant ainsi la distance requise de kilomètres à mètres. Le problème est, malgré les efforts des chercheurs du monde entier, les faisceaux de protons générés par laser ne sont actuellement pas assez énergétiques. Mais maintenant, les chercheurs suédois présentent une nouvelle méthode qui permet de doubler l'énergie, un grand pas en avant.
L'approche standard consiste à tirer une impulsion laser sur une mince feuille métallique, avec l'interaction résultant en un faisceau de protons hautement chargés. La nouvelle méthode consiste plutôt à diviser d'abord le laser en deux impulsions moins intenses, avant de tirer à la fois sur la feuille sous deux angles différents simultanément. Lorsque les deux impulsions se heurtent sur la feuille, les champs électromagnétiques résultants chauffent la feuille de manière extrêmement efficace. La technique produit des protons d'énergie plus élevée tout en utilisant la même énergie laser initiale que l'approche standard.
"Cela a fonctionné encore mieux que nous n'osions l'espérer. L'objectif est d'atteindre les niveaux d'énergie qui sont réellement utilisés en protonthérapie aujourd'hui. À l'avenir, il pourrait alors être possible de construire des équipements plus compacts, juste un dixième de la taille actuelle, afin qu'un hôpital normal puisse proposer à ses patients une protonthérapie, " dit Julien Ferri, chercheur au Département de physique de Chalmers, et l'un des scientifiques à l'origine de la découverte.
L'avantage unique de la protonthérapie est sa précision dans le ciblage des cellules cancéreuses, les tuer sans blesser les cellules saines ou les organes à proximité. La méthode est donc cruciale pour le traitement des tumeurs profondes, situé dans le cerveau ou la colonne vertébrale, par exemple. Plus l'énergie du faisceau de protons est élevée, plus il pénètre dans le corps pour combattre les cellules cancéreuses.
Bien que la réussite des chercheurs à doubler l'énergie des faisceaux de protons représente une grande avancée, l'objectif final est encore loin.
"Nous devons atteindre jusqu'à 10 fois les niveaux d'énergie actuels pour cibler vraiment plus profondément dans le corps. L'une de mes ambitions est d'aider plus de personnes à avoir accès à la protonthérapie. Peut-être que cela se situe dans 30 ans, mais chaque pas en avant est important, " dit Tünde Fülöp, Professeur au Département de physique de Chalmers.
Les protons accélérés ne sont pas seulement intéressants pour le traitement du cancer. Ils peuvent être utilisés pour étudier et analyser différents matériaux, et rendre les matières radioactives moins nocives. Ils sont également importants pour l'industrie spatiale. Les protons énergétiques constituent une grande partie du rayonnement cosmique, qui endommage les satellites et autres équipements spatiaux. La production de protons énergétiques en laboratoire permet aux chercheurs d'étudier comment de tels dommages se produisent, et développer de nouveaux matériaux capables de mieux résister aux contraintes des voyages spatiaux.
Avec son collègue de recherche Evangelos Siminos à l'Université de Göteborg, Les chercheurs de Chalmers Julian Ferri et Tünde Fülöp ont utilisé des simulations numériques pour montrer la faisabilité de la méthode. Leur prochaine étape consiste à mener des expériences en collaboration avec l'Université de Lund.
« Nous étudions maintenant plusieurs façons d'augmenter encore le niveau d'énergie des faisceaux de protons. Imaginez concentrer toute la lumière du soleil frappant la Terre à un moment donné sur un seul grain de sable – ce serait toujours moins que l'intensité des faisceaux laser avec lequel nous travaillons. Le défi est de fournir encore plus d'énergie laser aux protons. dit Tünde Fülöp.
Les nouveaux résultats scientifiques ont été publiés dans la revue Physique des communications , partie de la La nature famille.
