Les grands instruments de recherche

Parfois, l'observation de très petits objets nécessite des appareils particulièrement grands, car ce sont les seuls capables de générer les sondes indispensables pour radiographier la matière afin d'obtenir les informations recherchées. PSI entretient et utilise plusieurs installations de ce type qu'il met également à la disposition de scientifiques d'autres instituts au titre de prestation de service. Ces installations n'ont pas leur équivalent en Suisse, certains appareils utilisés à PSI sont même uniques au monde.

Faire de la recherche avec de grands instruments

Les grandes installations du PSI génèrent des neutrons, des muons et la lumière synchrotron. Neutrons et muons sont de petites particules. La lumière synchrotron est un rayonnement X d'extrême intensité et d'énergie réglable. Avec ces trois sondes, il est possible d'obtenir des informations sur la structure des matériaux les plus divers, chacune d'elles étant particulièrement bien adaptée à des expériences d'un type déterminé.

La plus récente grande installation de recherche du PSI génère de très courtes impulsions de rayons X, ayant les propriétés du laser. Cela permet aux chercheurs de suivre des processus extrêmement rapides tels que l’apparition de nouvelles molécules lors de réactions chimiques, de déterminer la structure détaillée de protéines vitales ou de comprendre la composition exacte de matériaux. Les connaissances ainsi acquises élargissent notre compréhension de la nature et débouchent sur des applications pratiques telles que de nouveaux médicaments, des processus plus efficaces dans l’industrie chimique ou de nouveaux matériaux en électronique.

La lumière synchrotron est une forme de lumière particulièrement intense, dont les propriétés peuvent être exactement adaptées aux besoins de chaque expérience. Les chercheurs utilisent la lumière synchrotron pour examiner des matériaux les plus divers, pour en détailler la structure ou en déterminer les propriétés magnétiques. On étudie par exemple des matériaux magnétiques tels que ceux utilisés pour les supports d'enregistrements, et des molécules protéiques qui jouent un rôle essentiel lors de processus survenant dans des organismes vivants. La lumière synchrotron est générée par la Source de Lumière Synchrotron Suisse SLS. Elle y est émise par des électrons qui circulent presque à la vitesse de la lumière sur une trajectoire circulaire de 288 m de périmètre, sur laquelle les maintiennent de puissants aimants.

Les neutrons permettent de déterminer l'agencement et le mouvement des atomes dans des matériaux. Comme les neutrons se comportent comme de minuscules aimants, ils se prêtent particulièrement bien à l'étude des matériaux magnétiques. Dans la nature, ils sont présents en tant que composants du noyau atomique. Au PSI, ils sont libérés des noyaux atomiques dans la source de spallation SINQ (prononcer: sine-cu) et sont alors prêts à être utilisés pour des expériences.

Les muons sont surtout utilisés pour mesurer les champs magnétiques à l'intérieur des matériaux. Ce sont des particules élémentaires dont les propriétés sont comparables à celles des électrons. Mais ils sont nettement plus lourds et surtout instables. Si un muon se désintègre à l'intérieur d'un matériau magnétique, on obtient des informations sur le champ magnétique à l'intérieur de l'échantillon. Au PSI, les muons sont générés dans la source de muons SµS (prononcer: s-mu-s).

Avec l'aide du CHRISP, les chercheurs utilisent la source de neutrons ultra-froids la plus puissante du monde pour étudier la structure de notre univers. Ainsi ils déterminent les constantes fondamentales de la nature avec la plus grande précision et recherchent les écarts par rapport au modèle standard actuel de la physique des particules. Ils développent et testent également des détecteurs pour des expériences au PSI, pour des missions spatiales et pour le centre de recherche européen CERN à Genève.

Au PSI les neutrons et les muons sont générés par bombardement d'une cible par un faisceau de protons très rapides, puisque leur vitesse est proche de 80% de celle de la lumière. La cible de la source de neutrons SINQ est en plomb et est en carbone pour la source de muons SμS. L'accélérateur de protons est en service depuis 1974 et servait à l'origine à mener des expériences dans le domaine de la physique des particules. Aujourd'hui, elle génère le faisceau de protons le plus intense au monde.