Le mini accélérateur du Portail de la science collecte des données

Un accélérateur de particules qui fonctionne dans un musée, c'est inhabituel. Mais un accélérateur qui effectue de vraies recherches scientifiques dans un musée, c'est du jamais vu. Après des années de développement, l'accélérateur de protons ELISA (« Experimental Linac for Surface Analysis ») est à présent utilisé pour mener des recherches archéologiques au Portail de la science, le centre du CERN pour l'éducation et la communication grand public. C'est la première fois que des recherches s'appuyant sur un accélérateur de protons de ce type sont menées dans le cadre d'une exposition.

La mission d'ELISA, moins connue que celle des autres accélérateurs de particules, consiste à analyser la composition d'objets, tels que des objets artistiques, géologiques ou appartenant au patrimoine culturel, sans causer de dégâts. Dotée d'une cavité accélératrice d'un mètre seulement, ELISA accélère un faisceau de protons jusqu'à 2 MeV (en comparaison, le Grand collisionneur de hadrons accélère des protons à une énergie trois millions de fois supérieure), et le concentre sur un petit point d'un échantillon, telle qu'une peinture archéologique utilisée pour l'art rupestre préhistorique. Cette interaction excite les électrons des atomes contenus dans l'échantillon, ce qui leur permet d'émettre des photons avec des longueurs d'ondes propres à des éléments donnés. Grâce à l'analyse de ces photons, les scientifiques peuvent établir un profil détaillé de la composition d'un échantillon.

« Les échantillons de peinture que nous utilisons pour les premiers tests d'ELISA ont été créés par des scientifiques afin de reproduire les peintures utilisées pour les œuvres rupestres préhistoriques du monde entier », explique Tessa Charles, physicienne des accélérateurs de l'ANSTO qui travaille sur le projet. Pour cette expérience, les scientifiques évaluent les dégâts causés par le faisceau de protons sur chaque échantillon et déterminent les conditions idéales (temps d'exposition et courant) pour chaque matériau afin d'éviter tout dégât. « Le but est d'étudier comment ELISA peut être utilisé pour analyser des échantillons en évitant de les endommager, ce qui est essentiel lorsque nous travaillons avec des matériaux appartenant au patrimoine culturel, ajoute-t-elle. L'objectif est de développer un accélérateur totalement portatif qui puisse être transporté dans différentes régions du monde n'ayant pas accès à une infrastructure d'accélérateur, sur le terrain ou dans d'autres musées. »

L'idée d'intégrer un accélérateur en fonctionnement à une exposition est née d'une séance de réflexion organisée par l'équipe responsable des expositions du CERN avec des scientifiques de l'Organisation au début du projet du Portail de la science. L'accélérateur en lui-même est le fruit de l'imagination de Serge Mathot, physicien appliqué au CERN et membre de l'équipe qui a élaboré le module RFQ (quadripôle radiofréquence) du Linac 4, la première cavité accélératrice sur le parcours d'un faisceau de protons au sein de la chaîne d'accélérateurs du LHC. ELISA est une version plus petite du premier élément du Linac 4. Serge Mathot, qui travaillait à l'origine sur des accélérateurs linéaires de petite taille destinés à des applications médicales, s'est rendu compte que cette technologie pouvait également être utilisée pour analyser des objets du patrimoine culturel. « La technique du faisceau de protons est très efficace par rapport à d'autres techniques d'analyse, car elle est très sensible et le bruit de fond est très faible, explique-t-il. L'analyse peut également être menée à l'air ambiant plutôt que dans le vide, ce qui rend cette technique plus pratique et plus adaptée aux objets fragiles. » Par le passé, Serge Mathot a travaillé sur MACHINA, un accélérateur similaire créé en collaboration avec l'INFN et d'autres spécialistes du CERN. MACHINA est le premier accélérateur portatif et il sera bientôt opérationnel à l'Opificio delle Pietre Dure (OPD) de Florence pour étudier des œuvres d'art.

Courtney Nimura, archéologue travaillant avec le professeur Jamie Hampson à l'université d'Exeter, participe à l'expérience dans le cadre du projet NoMAD (non-destructive mobile analysis and imaging device), financé par le ministère britannique de la recherche et de l'innovation. « Connaître les matériaux qui ont été utilisés pour réaliser des œuvres d'art il y a des milliers d'années est un sujet de recherche encore très peu exploré parce qu'il est difficile d'analyser des échantillons dans ce domaine ou même de sortir des artefacts de l'enceinte d'un musée sans les endommager, explique-t-elle, Les accélérateurs compacts et portatifs comme ELISA et ses successeurs vont permettre de changer cela. »

L'utilisation de l'accélérateur pour des expériences menées directement sur les lieux de l'exposition n'est qu'une des possibilités envisagées pour ELISA. Une série de démonstrations pour les visiteurs, présentées par des guides de l'exposition, sont également en projet. Tout le monde pourra bientôt voir ELISA en action aux heures d'ouverture du Portail de la science du CERN.