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En 1932, le physicienphysicien anglais James Chadwick (1891-1974) était occupé à bombarder du béryllium par des particules alpha. Bizarrement, le béryllium semblait alors se comporter comme une source secondaire d'un rayonnement inconnu, capable d'éjecter les protons des noyaux de plusieurs matériaux. Chadwick venait de découvrir le neutron, un des constituants des noyaux, dont l'existence avait été soupçonnée dès 1920 par Rutherford.
Quand il reçut le prix Nobel de physique en 1935 pour sa découverte, Chadwick était sans doute loin de se douter des conséquences que son travail allait rapidement avoir sur l'histoire de l'humanité. L'émission de neutrons est en effet à la base des réactions en chaîneréactions en chaîne que Fermi allait utiliser pour faire fonctionner la première pile atomique en 1942, et bien sûr à l'origine des armes nucléaires.
Des piles atomiques à l'imagerie neutronique
D'autres applicationsapplications, plus pacifiques celles-là, virent le jour après la seconde guerre mondiale. Bien que neutres, les neutrons possèdent un moment magnétiquemoment magnétique et l'on peut se servir de la diffusiondiffusion de faisceaux de neutrons par un matériaumatériau pour sonder sa structure et étudier ses propriétés. C'est notamment ce que l'on a fait avec les supraconducteurs. De nos jours, la diffusion de neutrons thermiques, c'est-à-dire avec des énergiesénergies comparables à celles d'un gazgaz à température ordinaire, est largement utilisée en chimiechimie, biologie et cristallographiecristallographie. On se sert même des faisceaux de neutrons pour faire ce qu'on appelle de l'imagerie neutronique, notamment pour des pièces métalliques et en particulier quand elles sont en plombplomb, donc opaques aux rayons Xrayons X.
Le prix Nobel de physique James Chadwick a vécu suffisamment longtemps pour voir les conséquences de sa découverte du neutron. Décédé en 1974, il aura donc assisté à la maîtrise de l'énergie nucléaire et à la montée en puissance de la technique de diffusion des neutrons. © Gonville and Caius College
Il est aisé de comprendre tout l'intérêt que l'on aurait à disposer d'un microscopemicroscope à neutrons. Malheureusement, si les faisceaux de neutrons sont des outils de choix pour sonder en profondeur la matièrematière sans la détruire, parce qu'ils sont neutres, on ne peut pas les manipuler avec des lentilleslentilles comme on le fait pour des photonsphotons ou des électronsélectrons. Un groupe de chercheurs du MIT vient pourtant de réaliser un microscope à neutrons performant, comme ils l'expliquent dans un article déposé sur arxiv.
Des miroirs de Wolter pour l'imagerie neutronique
Jusqu'à présent, on ne pouvait quasiment faire que des images sans agrandissement en utilisant un sténopésténopé, la fameuse chambre noire que connaissait déjà Léonard de VinciLéonard de Vinci et avant lui Ibn al-Haytham (965-1039) un mathématicienmathématicien, philosophe et physicien perse. Plus connu sous le nom d'Alhazen, on le considère comme l'un des pères de l'optique moderne.
On avait eu le même problème avec les rayons X pendant des décennies, et les chercheurs déploraient de ne pas disposer de télescopes ou de microscopes exploitant ces rayons. Mais en 1952, le physicien allemand Hans Wolter s'est rendu compte que l'on pouvait contourner l'obstacle en utilisant une série de miroirsmiroirs en incidenceincidence rasante, qui équipent par exemple des télescopestélescopes aussi célèbres que Chandra et XMM NewtonNewton.
Les chercheurs du MIT ont pensé qu'ils pouvaient faire la même chose avec des faisceaux de neutrons, mais pour réaliser un microscope. Ils ont d'abord conçu le système sur ordinateurordinateur et ont réalisé un prototype qu'ils ont testé avec les faisceaux de neutrons produits par différentes sources, comme celle du réacteur nucléaire d'Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Les résultats obtenus ont été très encourageants. Les physiciens pensent qu'ils devraient atteindre des performances 50 fois plus élevées en imagerie neutronique avec leur instrument qu'avec ceux dont on dispose aujourd'hui.
