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    La microscopie ultrarapide aux portes d'une nouvelle ère

    © Sputnik . Sergey Pyatakov
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    L'emploi d'émulsions pour la détection de particules est une méthode utilisée depuis plus de 60 ans dans la physique expérimentale. La précision de ses mesures des trajectoires des particules élémentaires n'a pas été dépassée. Des perspectives inédites d'utilisation s'ouvrent grâce à la coopération avec la participation de l'Université russe MISiS.

    Des premiers travaux manuels à la robotisation

    La technique des émulsions consiste en ce qu'une particule chargée, en traversant une émulsion, "active" sur son parcours des cristaux de bromure d'argent (AgBr) qui dans le processus de développement se transforment en nanoparticules ("grains") d'argent métallique.
    Cette méthode a été utilisée pour la première fois en physique nucléaire par Antoine Becquerel, qui a découvert en 1896 la radioactivité des sels d'uranium à partir de la noirceur de la plaque photographique.

    Cette technique a été reconnue mondialement après la découverte du méson pi (ou pion) en 1947. Cela a permis de faire des découvertes cruciales dans la physique des particules élémentaires: la découverte d'interactions nucléaires entre les pions (π-) et les kaons (méson K-), l'estimation de la durée de vie du méson π0 (10-16 s), la découverte de la division du kaon en trois pions, la première observation de quarks charm (c) et de la désintégration de quarks bottom (b) pour former des particules "charmées", la première observation de la naissance de quarks c dans les interactions des neutrinos.

    Un problème considérable inhérent à la méthode des émulsions provient du volume de travail très important nécessaire pour mesurer des coordonnées des nanoparticules qui forment une trace de la particule à l'aide de microscopes optiques. Pendant des dizaines d'années, ces mesures étaient faites manuellement. L'automatisation du processus à l'aide de microscopes robotisés a permis d'éviter un travail humain laborieux et a rendu possible une utilisation novatrice de la technique des émulsions dans les expériences DONUT et OPERA.

    DONUT était une expérience de Fermilab pour trouver des interactions de neutrinos taus. Le détecteur a fonctionné pendant l'été de 1997 et a réussi à identifier un neutrino tau — l'unique particule (à part le boson de Higgs) du modèle standard qui était inaccessible pour une observation directe.

    Le principal objectif de l'expérience OPERA était l'enregistrement de neutrinos taus nés dans les neutrinos muons suite aux oscillations des neutrinos. Un faisceau de neutrinos muons a été créé au CERN (Suisse) et a été envoyé au laboratoire du Gran Sasso (Italie). En parcourant sous la terre 732 km, le faisceau a atteint l'emplacement d'OPERA, où il était enregistré par un détecteur à émulsion.
    En 2010 ont été obtenues les premières preuves directes que les neutrinos muons pouvaient se transformer en neutrinos taus, ce qui a confirmé l'hypothèse des oscillations des neutrinos.

    Les microscopes modernes

    Les détecteurs actuels, de plusieurs tonnes, utilisent des millions de couches à émulsion en appliquant la microscopie automatisée pour leur scan optique.

    Étant donné que la vitesse de travail de tels robots-microscopes limite l'applicabilité des détecteurs à émulsion, les scientifiques recherchent activement un moyen de les rendre plus rapides et de créer des robots de la génération suivante.

    Les microscopes automatisés (MA) de nouvelle génération sont des robots dotés d'une mécanique de haute précision, d'une optique de haute qualité et d'une caméra à haute vitesse. Un MA travaille des millions de fois plus vite qu'un microscopiste humain, tout en sachant qu'il peut fonctionner 24 heures sur 24 sans se fatiguer.

    Les collaborateurs de l'université MISiS et de l'Institut national de physique nucléaire de Naples (INFN, Italie) ont annoncé dans la revue Scientific Reports avoir mis au point une technologie simple et bénéfique permettant de multiplier par 100 la vitesse de travail d'un MA.

    «Nous avons l'intention de créer et de tester un prototype fonctionnel de nouvelle génération utilisant la technologie d'inclinaison du plan focal que nous avons mise au point. La vitesse de tels microscopes, multipliée par 100, permettrait d'accroître significativement la quantité de données traitées tout en réduisant la durée de leur analyse sans importants frais financiers», a déclaré à RIA Novosti Andreï Alexandrov, collaborateur de l'université MISiS et de l'INFN.

    L'augmentation de la vitesse des microscopes serait d'une grande aide pour les chercheurs dans bien des domaines: la médecine, la physique nucléaire, l'astrophysique, la physique des neutrinos, l'archéologie, la géologie, ou encore la vulcanologie. Le développement de technologies de scan optique entièrement automatisé et de MA de nouvelle génération permettrait d'élargir les limites d'application de la méthode des détecteurs par émulsion et de créer des détecteurs contenant des dizaines de millions de couches d'émulsion photographique nucléaire.

    «Je pense que la nouvelle génération de MA sera forcément à caméras multiples et utilisera l'inclinaison du plan focal de l'objectif. Nous avons déjà commencé à étudier les possibilités d'utiliser des sources de lumière laser et des principes d'holographie pour créer les futures générations de MA ultrarapides. A l'université de Nagoya, au Japon, a été construit le microscope unique Hyper Track Selector avec 72 caméras et un immense objectif à angle très large, mais qui utilise la technique standard de scan. En utilisant notre technologie, il sera possible d'atteindre la même vitesse de scan avec seulement 14 caméras et un objectif ordinaire, ce qui reviendra bien moins cher», explique Andreï Alexandrov.

    L'avenir des détecteurs: de la matière noire à l'oncologie

    A terme, les expériences scientifiques avec de tels détecteurs serviront à rechercher des particules de matière noire, à étudier la physique des neutrinos, la fragmentation des ions pour l'hadronthérapie du cancer et la protection des équipages de missions interplanétaires contre le rayonnement cosmique.

    Un détecteur de plusieurs millions de couches d'émulsion photographique nucléaire existe déjà: OPERA en possède près de 9 millions (ce qui équivaut à une superficie de près de 110.000 m²). Le prochain record pourrait être battu dans dix ans avec l'expérience pour rechercher la matière noire NEWSdm (Nuclear Emulsions for WIMP Search with directional measurement).

    Il s'agit de la première et, pour l'instant, de l'unique expérience pour rechercher des particules de matière noire qui utilise des nanocouches d'émulsion pour enregistrer la direction des noyaux de recul nés dans les chocs avec les particules de matière noire (les détecteurs d'autres expériences similaires sont remplis de gaz à basse pression).

    Le principal défi, en l'occurrence, est la nécessité de traiter des dizaines de tonnes de nanodétecteurs par émulsion et de déterminer la direction des traces, dont la longueur est inférieure à la limite de diffraction des microscopes contemporains. C'est à cela que serviront les MA rapides grâce à la technologie novatrice de super-résolution mise au point par les collaborateurs de l'expérience.
    D'autres exemples de telles expériences du futur sont FOOT (Fragmentation Of Target) et SHiP (Search for Hidden Particles).

    FOOT étudie l'interaction des protons et des ions de carbone lors du passage de faisceaux dans les tissus d'un patient. La connaissance des paramètres de fragmentation des ions est nécessaire pour optimiser les systèmes de planification de l'hadronthérapie du cancer et élaborer de nouvelles méthodes visant à protéger les équipages des futures missions interplanétaires contre le rayonnement cosmique.
    Le détecteur de neutrinos de l'expérience SHiP utilisera une grande quantité de couches d'émulsion pour étudier la physique des neutrinos taus et rechercher des particules de matière noire légère nées dans les interactions des protons avec une énergie de 400 GeV.

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    Tags:
    science, microscope, microscopie, Université nationale de technologie et de recherche (MISIS), Russie
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