La source de lumière cohérente Linac en Californie émet des impulsions de rayons X record depuis des années, mais elle doit maintenant être arrêtée et mise à niveau. Lorsqu'il sera rallumé, il sera encore plus puissant
Illustration d'un faisceau d'électrons traversant une cavité en niobium, un composant clé du laser à rayons X LCLS-II du SLAC
La galerie Klystron, un couloir en béton parsemé de cylindres métalliques régulièrement espacés, est suffisamment longue pour s'étendre au-delà de mon champ de vision. Mais en me tenant à l’intérieur, je sais que quelque chose d’encore plus spectaculaire se cache sous mes pieds.
Sous la galerie Klystron se trouve un gigantesque tube métallique qui s'étend sur 3,2 kilomètres : la Linac Coherent Light Source II (LCLS-II). Cette machine, située au Laboratoire national des accélérateurs du SLAC en Californie, génère des impulsions de rayons X plus puissantes que celles produites dans n'importe quelle autre installation dans le monde, et je la visite parce qu'elle a récemment battu l'un de ses propres records. Bientôt, cependant, ses composants les plus puissants s’arrêteront pour une mise à niveau. Une fois rallumé, peut-être dès 2027, ses rayons X auront plus du double d’énergie.
« Ce sera comme passer d'un scintillement à une ampoule », déclare James Cryan du SLAC.
Décrire LCLS-II comme un simple scintillement est un euphémisme. En 2024, il a produit l’impulsion de rayons X la plus puissante jamais enregistrée. Cela n’a duré que 440 milliardièmes de milliardième de seconde, mais a transporté près d’un térawatt de puissance, ce qui dépasse de loin la production annuelle moyenne d’une centrale nucléaire. De plus, en 2025, LCLS-II a généré 93 000 impulsions de rayons X en une seconde – un record pour un laser à rayons X.
Cryan dit que ce dernier record ouvre la voie aux chercheurs pour avoir un aperçu sans précédent du comportement des particules à l'intérieur des molécules après qu'elles ont absorbé de l'énergie. C'est comparable à transformer un film en noir et blanc de leur comportement en un film plus net et plein de couleurs. Entre cette réalisation et la mise à niveau à venir, LCLS-II a une chance d'améliorer radicalement notre compréhension du comportement subatomique des systèmes sensibles à la lumière, qu'il s'agisse de plantes photosynthétiques ou de candidats à de meilleures cellules solaires.
LCLS-II réalise tout cela en accélérant les électrons jusqu’à ce qu’ils s’approchent de la vitesse de la lumière – la limite ultime de la vitesse cosmique. Les dispositifs cylindriques que j'ai vus, qui sont les klystrons qui donnent son nom à la Galerie Klystron, sont responsables de la production des micro-ondes qui réalisent cette accélération. Une fois suffisamment rapides, les électrons traversent des rangées de milliers d’aimants dont les pôles sont soigneusement disposés pour faire trembler les électrons rapides. Ceci produit à son tour des impulsions de rayons X. Comme les rayons X médicaux, ces impulsions peuvent ensuite être utilisées pour imager l’intérieur des matériaux.
Le jour de ma visite, je visite l'une des nombreuses salles expérimentales où les rayons X terminent leur voyage en s'écrasant sur les molécules. Je jette un coup d'œil à certaines des chambres où se rencontrent une molécule et un rayon X. Ils ressemblent à quelque chose sorti d'un sous-marin futuriste : d'épais cylindres métalliques avec des fenêtres rondes en verre, tous soigneusement boulonnés ensemble afin de ne laisser entrer aucune molécule d'air parasite qui pourrait interférer avec l'expérience.
Cryan et ses collègues ont mené une expérience la veille de ma visite, étudiant le mouvement des protons à l'intérieur des molécules. Les méthodes d'imagerie autres que les rayons X peinent à déterminer avec précision la manière dont les protons se déplacent, mais des détails précis du processus sont importants pour le développement des cellules solaires, explique-t-il.
Qu’adviendra-t-il de ces enquêtes une fois que LCLS-II aura terminé sa mise à niveau « Haute énergie » pour devenir LCLS-II-HE ? La capacité d'étudier le comportement des particules et des charges au sein des molécules augmentera considérablement, explique Cryan. Mais y parvenir ne sera pas une tâche facile.
John Schmerge du SLAC affirme que plus le faisceau d'électrons devient énergétique, plus l'équipe doit s'inquiéter de la perte de quelques particules seulement. Il dit avoir vu un jour un faisceau imparfaitement contrôlé percer un trou dans un instrument dans une autre installation, il y a donc peu de place à l'erreur. Yuantao Ding du SLAC affirme que toutes les nouvelles pièces que l'équipe installera lors de la mise à niveau ont été conçues pour résister à la nouvelle puissance plus élevée de l'installation, mais qu'il sera crucial d'augmenter la puissance étape par étape et de vérifier que tout fonctionne comme prévu. « Nous allons allumer le faisceau et observer attentivement ce qui se passe », dit-il.
Lui et ses collègues passeront la majeure partie de 2026 à faire un grand effort d’ingénierie pour mettre toutes les pièces en place, ce qui les préparera ensuite à ce processus progressif au cours de l’année ou des deux suivantes. Si tout se passe comme prévu, les chercheurs du monde entier pourront utiliser LCLS-II-HE d’ici 2030. Les conversations entre les chercheurs qui utilisent les rayons X, comme Cryan, et ceux qui les contrôlent, comme Schmerge et Ding, joueront également un rôle important. « En fin de compte, c'est un outil important et les gens apprendront à bien l'utiliser », déclare Schmerge. « Nous allons constamment le peaufiner. »
