Depuis plus de 25 ans, les rayons X intenses de la source avancée de photons ont permis des percées importantes. Avec une mise à niveau massive en cours, les scientifiques pourront voir des choses à une échelle jamais vue auparavant.

Chaque percée scientifique commence par une observation. Il y a environ 125 ans, notre pouvoir d'observation s'est considérablement élargi avec la découverte de la lumière invisible connue sous le nom de rayons X. Beaucoup d'entre nous les connaissent comme une technique d'analyse médicale, mais les rayons X les plus puissants nous donnent la possibilité de regarder à l'intérieur même des matériaux les plus denses et de voir les atomes à l'intérieur.

Au Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), des rayons X exceptionnellement puissants aident les plus grands scientifiques du monde à résoudre des problèmes complexes liés aux technologies d'énergie propre, recherche sur le climat, médecine et bien d'autres domaines.

Source de photons avancée (APS) d'Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science, a produit sa première lumière à rayons X en 1995. Depuis lors, l'APS a permis des découvertes dans presque toutes les disciplines de la recherche scientifique, y compris des études qui ont remporté les prix Nobel de chimie en 2009 et 2012.

Un outil puissant couvrant le spectre scientifique

L'APS est la principale source mondiale de rayons X à haute énergie connus sous le nom de rayons X durs. Ces rayons intensément brillants sont la clé pour imager les propriétés de la matière afin que nous puissions les comprendre, les améliorer et les réinventer. Un jour donné à l'APS, un faisceau de rayons X pourrait être focalisé sur les protéines qui composent un agent pathogène tel que le coronavirus, cristaux de sel gemme de lithium pour batteries à charge rapide, les microbes présents dans le sol ou même un grain de combustible nucléaire irradié.

Déjà l'une des machines les plus complexes technologiquement au monde, l'APS est au milieu d'une mise à niveau révolutionnaire. Une fois la mise à niveau terminée, l'installation sera capable de générer des rayons X jusqu'à 500 fois plus lumineux que ce qui est possible aujourd'hui. Cela permettra aux scientifiques d'observer un éventail de phénomènes avec des détails beaucoup plus fins et souvent dans des délais mesurés en milliardièmes de secondes.

"Si vous voulez comprendre les matériaux à un niveau atomique, voyez comment les atomes sont disposés, comment ils se déplacent et comment ils changent - les rayons X que nous produisons ici sont des outils clés pour y parvenir, " a déclaré Jonathan Lang, directeur de la Division des sciences des rayons X d'Argonne.

L'APS génère des rayons X via un accélérateur de particules en forme d'anneau. Des particules subatomiques appelées électrons s'enroulent autour de l'anneau, dirigé par des aimants. Alors que les électrons se tortillent à travers des réseaux magnétiques spéciaux appelés onduleurs, ils émettent des photons, qui sont des particules de lumière. Les photons sont ensuite canalisés dans l'une des nombreuses lignes de lumière APS disponibles pour les chercheurs, chacun utilisé à des fins scientifiques spécifiques.

Les travaux en cours à l'APS, qui en accueille annuellement environ 5, 500 universitaires, chercheurs de laboratoires et industriels du monde entier, sert une variété d'objectifs scientifiques. Il aide les chercheurs à comprendre les processus qui sous-tendent les batteries et l'énergie nucléaire, par exemple. Les enseignements de l'APS éclairent également la conception de moteurs à réaction plus efficaces et de techniques de fabrication d'hydrogène à partir d'eau, ouvrant la voie à un carburant hydrogène propre pour les voitures et l'électricité. Tous ces éléments aident la nation à se diriger vers un avenir sans carbone pour atténuer le changement climatique.

Récemment, l'APS a joué un rôle déterminant dans la recherche sur le SARS-CoV-2, le virus qui cause le COVID-19, en éclairant la structure de ses protéines. Les protéines du virus ont été utilisées comme base de vaccins qui stimulent une réponse immunitaire dans le corps. Il s'agit de la dernière d'une série de percées biomédicales soutenues par l'APS, y compris un médicament prometteur pour traiter Ebola et de nouvelles voies pour lutter contre le cancer avec la chimiothérapie.

"L'APS est excellent pour apporter un large éventail de connaissances à de nombreuses disciplines différentes, " a déclaré Lang. Un exemple qu'il a cité est le développement d'appareils électroniques plus petits qui nécessitent moins d'énergie pour fonctionner, un effort qui s'appuie sur les études de matériaux menées à l'APS. "Toutes les connaissances que nous acquérons ici sur la façon d'assembler les choses et d'arranger les atomes contribuent à la fondation de tout, des batteries avancées aux traitements contre le cancer."

Un nouvel "état de l'art"

L'APS, qui est financé par le programme des sciences de l'énergie de base de l'Office of Science du DOE, était à la pointe de la technologie lors de sa mise en ligne dans les années 1990. Une telle installation doit être construite non seulement pour le moment, mais pour les décennies à venir.

"La conception originale de l'APS a été faite avec suffisamment de prévoyance pour que ce ne soit que maintenant, près de 30 ans dans le futur, que nous exploitons pleinement toutes les capacités de l'installation actuelle, " a déclaré Stephen Streiffer, Directeur adjoint du laboratoire scientifique et technique d'Argonne et directeur de l'APS.

La mise à niveau prévue impliquera le remplacement complet de l'anneau de stockage d'électrons par un nouveau modèle plus puissant. Cela se traduira par une résolution plus fine pour les scientifiques tels que Mary Upton, un physicien à Argonne qui travaille avec des scientifiques invités sur des expériences sur la ligne de lumière 27-ID. Les chercheurs de cette ligne de lumière se concentrent souvent sur les matériaux magnétiques qui sont les éléments constitutifs de la mémoire informatique.

"Nous entrons dans une période passionnante à l'APS, " a déclaré Upton. " Ce qui était déjà un instrument incroyablement précis sur la ligne de lumière 27-ID deviendra encore plus puissant avec la mise à niveau. Les informations qui en résulteront élargiront les capacités de tous nos appareils électroniques. »

Mais ce n'est que le début de l'histoire. D'autres lignes de lumière qui offrent aux utilisateurs des techniques basées sur l'imagerie par rayons X verront des améliorations équivalentes à l'amélioration de la luminosité des rayons X, leur permettant d'analyser des volumes jusqu'à 500 fois plus grands que ce qui est actuellement possible.

"C'est la différence entre, par exemple, être capable d'examiner l'anatomie d'un petit morceau de cerveau de souris, versus être capable d'examiner l'ensemble. Ce n'est qu'alors que vous pouvez vraiment comprendre ce que vous regardez, ", a expliqué Streiffer.

La nouvelle source de rayons X permettra des mesures plus rapides et plus larges. Prenez l'électrochimie dans une batterie, par exemple. Les électrons se déplacent rapidement d'un bout à l'autre lorsque les batteries se chargent et se déchargent. Mais au fil des jours, semaines ou années, d'autres changements dans la chimie de la batterie se produisent au fur et à mesure de son utilisation. La luminosité accrue permettra de voir cette image plus grande.

"La mise à niveau de l'APS permettra à la science d'atteindre des échelles dont nous ne pouvons même pas rêver pour le moment, " a déclaré Dennis Mills, directeur adjoint du laboratoire associé pour la science du photon à Argonne. "La luminosité accrue, ainsi que la capacité de focaliser ces faisceaux lumineux jusqu'à des tailles incroyablement petites, ouvrira de nouvelles voies de découverte qui conduiront à des innovations importantes dans de nombreux domaines. »

Les faisceaux plus brillants accéléreront également considérablement la recherche, rendant possible la réalisation d'expériences auparavant impossibles en quelques minutes ou quelques heures. « Si cela vous prend une heure pour collecter des données, au lieu d'un mois entier, ça fait juste un monde de différence, " a déclaré Lang. " C'est ce que la mise à niveau va nous permettre de faire. "

Lumière plus vive, plus de données

La vitesse à laquelle les sources lumineuses se sont améliorées au cours des dernières décennies a dépassé la vitesse à laquelle les ordinateurs sont devenus plus rapides, a noté Streiffer. C'est pourquoi l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), une autre installation utilisateur du DOE Office of Science, est un atout clé.

"Les sources lumineuses posent un énorme défi de données, " a déclaré Streiffer. " Le fait d'avoir notre expertise et la puissance de calcul de l'ALCF est un facteur clé de succès pour pouvoir utiliser l'APS amélioré et produire de la science. "

À l'heure actuelle, l'APS collecte environ 5 pétaoctets de données brutes par an, 1 pétaoctet équivaut à un million de gigaoctets. Avec la mise à niveau, ce nombre ira jusqu'à des centaines de pétaoctets par an. Le futur supercalculateur Aurora, qui arrive en 2022, complétera l'afflux de données.

"Aurora et d'autres systèmes ALCF seront essentiels pour le traitement et la compréhension des données générées à l'ère de la mise à niveau de l'APS, " a déclaré Nicolas Schwarz, informaticien principal à Argonne.

L'ALCF et l'APS seront connectés via un réseau à haut débit pour permettre l'échange d'ensembles de données massifs. Ce couplage d'instruments APS et de supercalculateurs ALCF permettra une analyse en temps réel pour aider les scientifiques à prendre des décisions cruciales en matière d'expérimentation, dit Schwarz.

Déjà, les scientifiques d'Argonne ont appliqué l'intelligence artificielle pour prédire et reconstruire les données de rayons X plus rapidement que les méthodes traditionnelles. Ce type de travail, ainsi que la puissance accrue disponible avec Aurora, aidera l'ALCF à suivre l'afflux de l'APS amélioré.

"L'intelligence artificielle touchera à tous les aspects du fonctionnement de l'APS, du contrôle de la stabilité de l'anneau de stockage amélioré à l'alignement automatique des échantillons dans le faisceau de rayons X, " a déclaré Schwarz.

Si les trois dernières décennies sont une indication, les chercheurs trouveront des moyens d'utiliser l'APS amélioré pour accomplir des percées que nous ne pouvons même pas imaginer aujourd'hui. Aux débuts de l'APS, Streiffer a noté, peu pensaient que l'APS serait utile pour déterminer la structure d'une protéine.

La sagesse conventionnelle a soutenu que si vous mettez un cristal de protéine dans le faisceau, il serait vaporisé avant que vous puissiez obtenir des données utiles. Au lieu, l'APS est devenu un foyer majeur pour ce type de biologie structurale, grâce à des méthodes expérimentales minutieuses qui permettent aux biologistes de mesurer un échantillon sans le détruire.

"L'APS parle de l'un des aspects de la science qui la rend si difficile, mais aussi tellement enrichissant, " a déclaré Streiffer. " Vous n'êtes jamais tout à fait sûr de ce que vous allez découvrir. "