Les résultats de ce travail ont une grande importance pour la médecine, notamment pour la protonthérapie — méthode moderne de traitement des maladies cancéreuses. L'étude a été publiée dans la prestigieuse revue scientifique Scientific Reports.
Il existe aujourd'hui trois méthodes principales de traitement des cancers: l'intervention chirurgicale, la chimiothérapie et la radiothérapie. Cette dernière est un traitement par radiation ionisante, ce qui est néfaste non seulement pour la tumeur, mais également pour les tissus sains environnants. Cela impose des restrictions en matière de puissance du rayonnement gamma utilisé lors de la radiothérapie.
Dans ce sens, il est donc bien plus avantageux d'utiliser les protons. Grâce à leur masse relativement élevée, les protons ne subissent qu'une faible section à l'intérieur du tissu, et l'intervalle de distance de leur parcours est très réduit. C'est pourquoi les protons peuvent être concentrés avec précision sur la tumeur sans endommager les tissus sains qui l'entourent.
Mais un accélérateur de particules chargées — un équipement coûteux et pesant plusieurs tonnes — est nécessaire pour obtenir un faisceau de protons. Par exemple, le synchrocyclotron du centre thérapeutique d'Orsay (France) pèse 900 tonnes. C'est pourquoi plusieurs universités du monde planchent sur des méthodes alternatives pour générer des faisceaux de particules chargées ultrarapides. L'une d'elle est basée sur l'usage d'un accélérateur laser.
Les accélérateurs laser de particules chargées sont plus compacts et meilleur marché que les cyclotrons et les synchrocyclotrons ordinaires, mais la qualité des faisceaux obtenus reste insuffisante pour la plupart des utilisations pratiques actuelles à cause d'une grande dispersion en énergie des protons et d'une puissance insuffisante. Aujourd'hui se déroule une véritable course aux nouvelles méthodes d'accélération laser: l'obtention d'un faisceau à protons d'une énergie de 100-200 MeV et d'une dispersion ne dépassant pas quelques pour cent ouvrirait une nouvelle ère en médecine laser.
Selon les chercheurs du MEPhI, leur théorie pourrait contribuer au développement de nouvelles méthodes d'accélération laser. "Dans notre recherche, nous avons théoriquement prédit et démontré par une modélisation numérique un effet à première vue paradoxal: la force de frottement radioactive agissant sur les particules chargées qui émettent des ondes électromagnétiques peut contribuer à leur accélération", a déclaré Evgueni Guelfer, maître de conférences de la chaire de physique nucléaire théorique du MEPhI et chercheur à l'institut tchèque Extreme Light Infrastructure Beamlines.
Dans les systèmes mécaniques ordinaires, les forces de frottement entraînent une perte d'énergie et l'affaiblissement du mouvement ordonné. La force de frottement de rayonnement fonctionne d'une manière particulière: elle survient grâce au transfert d'énergie du champ extérieur (en l'occurrence laser) dans l'énergie des quantums à très hautes fréquences. Le corps qui effectue ce transfert est l'électron et, pendant le transfert d'énergie d'un réservoir à l'autre, il peut lui-même aussi bien ralentir qu'accélérer.
"Nous avons analysé la propagation de l'impulsion laser ultrapuissante dans le plasma. Dans les champs électromagnétiques d'une puissance de quelques petawatts et plus (1 PW=1 015 W, à titre de comparaison, la puissance de la plus grande centrale du monde est de 22 500 MW, soit 50 000 fois moins) les électrons rayonnent de manière si intense que leur mouvement est déterminé non seulement par la force de Lorentz, mais également par la force de frottement de rayonnement suite au retour lors du rayonnement. Sachant que la grandeur de cette dernière peut dépasser la force de Lorentz. Nous avons montré que dans le même temps, le ralentissement des électrons par le frottement de rayonnement sur un plan perpendiculaire à la direction de propagation du rayon laser conduisait à leur plus grande accélération. Ainsi, en contribuant à une séparation plus efficace des charges dans le plasma, on constate un renforcement du champ électrique longitudinal qui apparaît. C'est ce champ qui provoque l'accélération des ions, et c'est pourquoi notre résultat pourrait aider à obtenir des faisceaux d'ions de meilleure qualité", conclut Evgueni Guelfer.
