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Des lentilles pour rayons gamma ne seraient pas irréalisables

ActualitéClassé sous :physique , Astronomie , Institut Laue-Langevin

Un groupe de chercheurs français et allemands vient de faire une découverte qui pourrait avoir de nombreuses applications dans le domaine de l'imagerie avec des rayons gamma. Contrairement à ce que l'on croyait, des matériaux seraient capables de servir de lentille pour dévier des rayons gamma d'une façon appropriée à la réalisation d'instruments.

Des prototypes de lentilles gamma en or étudiés par les chercheurs. © Dietrich Habs

Cela fait plus d'un siècle que le Français Paul Villard a découvert l'existence d'un mystérieux rayonnement pénétrant en étudiant le radium isolé par Marie Curie et son époux. En 1903, Rutherford baptisa « gamma » les rayons mis en évidence par le Français. Au cours des décennies qui suivirent on comprit qu'il ne s'agissait pas de particules de matière, comme dans le cas des rayons alpha et bêta, mais bel et bien de photons très énergétiques émis par les noyaux de certains atomes. Les rayons gamma sont devenus célèbres auprès du grand public après la seconde guerre mondiale et l'utilisation des armes atomiques. C'est d'ailleurs suite à une irradiation lors d'un test nucléaire que David Banner reçoit la dose de rayons gamma qui va faire de lui l'un des membres des Avengers : le célèbre Hulk.

Plus sérieusement aujourd'hui, les rayons gamma occupent souvent le devant de la scène à l'occasion de l'annonce de la découverte d'un sursaut gamma spectaculaire. Il s'agit des explosions les plus énergétiques de l'univers connues à ce jour. On pense qu'elles adviennent lors de collisions d'étoiles à neutrons ou d'effondrement en trou noir d'étoiles très massives donnant ce qu'on appelle des hypernovae, au début de l'histoire du cosmos observable.

Visibles de très loin, ces sursauts gamma, encore énigmatiques, sont utiles aux cosmologistes et aux théoriciens de la physique qui s'en servent, par exemple, pour poser des contraintes sur des théories de gravitation quantique.

Le découvreur des rayons appelés par la suite gamma par Rutherford, le physicien et chimiste français Paul Villard (1860-1934). © Archives de l'Académie des sciences

C'est ainsi que des télescopes en orbite ont été construits et lancés pour observer le cosmos dans le domaine gamma. Le plus célèbre est sans aucun doute Fermi. Des télescopes comme Hubble utilisent des miroirs et non des lentilles pour faire des observations. Mais, comme les rayons gamma sont très pénétrants, on ne peut pas les réfléchir avec un miroir. On pourrait penser que les lentilles seraient la solution, mais l'on se trouve confronté à un autre problème.

Plus un rayon gamma est énergétique, plus il passe facilement à travers une lentille sans subir de déviation. Une parade serait d'utiliser plusieurs lentilles en série mais l'énergie du rayonnement gamma est alors absorbée par la matière. C'est pourquoi lorsque Fermi observe des sources gamma, ses instruments mesurent en réalité des trajectoires des paires de positrons et d'électrons, créés par un photon gamma, et l'énergie de ces particules secondaires. Il n'existe donc pas vraiment de lentille gamma.

Bientôt des lentilles gamma en or ?

Cela pourrait changer suite à une découverte faite par un groupe de chercheurs de l'université Ludwig Maximilians à Munich et de l'Institut Laue-Langevin à Grenoble. Comme ils l'expliquent dans un article déposé sur arxiv, alors que l'index de réfraction d'un matériau était théoriquement censé devenir de plus en plus proche de 1 en passant des rayons X à des rayons gamma de plus en plus énergétiques, ils ont découvert qu'avec des photons gamma d'énergies supérieures à 700 keV, une remontée de la valeur de l'indice se produisait dans du silicium.

Les chercheurs ne sont pas certains du mécanisme physique responsable de cette remontée de l'indice de réfraction, mais il pourrait s'agir d'une manifestation de la diffusion Delbrück, un processus décrit en électrodynamique quantique il y a longtemps par le prix Nobel de médecine Max Delbrück. Proche du noyau des atomes, le champ électrique est si intense qu'il permet la création de paires de positron-électron causant la déviation d'un photon gamma lorsque celui-ci s'en approche avec des énergies suffisamment élevées.

En tout état de cause, cette découverte permettrait de développer une toute nouvelle technologie d'imagerie médicale basée sur des lentilles gamma, par exemple pour suivre à la trace des noyaux radioactifs de lithium ingérés par des patients atteints de troubles bipolaires. L'astrophysique gamma ne serait pas en reste, mais pour en avoir le cœur net, des travaux doivent encore être réalisés. Les chercheurs travaillent ainsi sur des lentilles potentielles réalisées avec de l'or car, avec leur noyau porteur d'une importante charge électrique, ces atomes seraient idéaux pour des lentilles gamma.

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