La source de rayons X la plus puissante du monde démarre

Le linac principal, suspendu au plafond afin de laisser un espace libre au sol, photographié ici en janvier 2017. (Image : D. Nölle/DESY).

Une cérémonie officielle a marqué l’inauguration, aujourd’hui, du laser à électrons libres à rayons X (XFEL) européen à Hambourg-Schenefeld (Allemagne). L’installation, qui comprend 3,4 km de tunnels partant de l’installation DESY, à Hambourg-Bahrenfeld, générera 27 000 flashs de rayons X ultracourts par seconde, d’une intensité un milliard de fois plus élevée que celle des meilleures sources de rayons X conventionnelles. L’installation produira ainsi des instantanés très rapides des mouvements atomiques et moléculaires, avec un niveau de détail sans précédent, ce qui ouvrira aux utilisateurs de la science et de l’industrie des perspectives de recherche complètement nouvelles pour la mise en images de processus électroniques, chimiques et biologiques.

L’histoire du projet européen XFEL constitue un magnifique exemple des synergies, dans la R&D, existant de longue date entre le monde de la physique des hautes énergies et celui des sources de lumière. Si les installations à rayons X traditionnelles sont basées sur des anneaux de stockage dans lesquels des électrons énergétiques circulent en émettant des rayons X, les lasers à électrons libres à rayons X (appelés « XFEL ») utilisent des structures accélératrices spéciales conçues à l’origine, il y a plus de 20 ans, pour un collisionneur linéaire destiné à la physique des particules.

L’installation européenne XFEL est alimentée par l’accélérateur linéaire supraconducteur le plus long et le plus avancé jamais construit ; long de 1,4 km, ce linac comprend des cavités radiofréquence supraconductrices grâce auxquelles il peut accélérer les électrons de façon très efficace et les porter à une énergie de 17,5 GeV. Les cavités radiofréquence supraconductrices présentent des avantages évidents mais, jusqu’au milieu des années 1990, cette technologie n’était pas encore suffisamment développée et demeurait trop coûteuse pour être utilisée dans une grande installation. S’appuyant sur une première expérience acquise avec des cavités individuelles (y compris celles du LEP), la collaboration TESLA, basée à DESY, est parvenue à développer des cavités haute performance ainsi qu’à réduire le coût d’une proposition de collisionneur linéaire et de la construction de l’installation européenne XFEL. Aujourd’hui, l’installation européenne XFEL fait également office de prototype pour un possible collisionneur linéaire, l’ILC.

En sortant du linac de l’installation européenne XFEL, les électrons sont rapidement déviés, selon un modèle d’ondulation gauche-droite, lorsqu’ils traversent une longue série périodique d’aimants formant un ondulateur ; ils émettent alors des faisceaux intenses et cohérents de photons de rayons X. Les rayons X qui émergent de l’ondulateur arrivent finalement au quartier général de l’installation XFEL, à Schenefeld, où auront lieu les expériences.

L’installation européenne XFEL représente l’aboutissement d’un effort mondial, dans lequel European XFEL Gmbh a été responsable de la construction et de l’exploitation de l’installation, notamment s’agissant des stations d’expérimentation et des équipements pour le transport des photons de rayons X, tandis que DESY, son plus important partenaire, a dirigé la construction et l’exploitation du linac à électrons. L’installation, qui vient s’ajouter à d’autres grands linac à électrons libres à rayons X aux États-Unis (LCLS) et au Japon (SACLA), doit permettre à l’Europe de demeurer à la pointe de la science des rayons X au moins pendant les 20 à 30 prochaines années.

La construction de cette installation, d’un coût de 1,2 milliard d’euros, a commencé en janvier 2009 grâce au financement de 11 pays, l’Allemagne et la Russie étant les principaux contributeurs ; pas moins de 17 instituts européens ont également apporté des contributions en nature au complexe d’accélérateurs. 
« Le projet européen XFEL est le résultat d’un développement technologique intense, dans le cadre d’une collaboration mondiale qui a dépassé les attentes, explique Eckhard Elsen, directeur de la recherche et de l’informatique du CERN. C’est un exemple impressionnant de la manière dont la recherche de pointe sur les accélérateurs peut avoir des retombées pour la société, ainsi qu’une démonstration des liens permanents qui existent entre les besoins de la recherche fondamentale en physique des particules et la science des rayons X. »

Des informations détaillées sur le projet européen XFEL et son linac supraconducteur, parues dans le numéro de juillet/août 2017 du CERN Courier, sont disponibles ici et ici.

Consultez le site XFEL pour plus d'informations.

Les sites de l’installation européenne XFEL, à Hambourg (à droite) et à Schenefeld (Schleswig-Holstein, à gauche) (Source : Installation européenne XFEL).