En quoi les accélérateurs de particules sont novateurs en médecine ?

« GRAND ORAL Physique-Chimie - En quoi les accélérateurs de particules sont novateurs en médecine ? Introduction La physique permet d’expliquer de nombreux phénomènes et mécanismes présents dans notre quotidien, comme la propagation du son, le mouvement des objets sur Terre ou dans l’espace, ou encore le fonctionnement des circuits électriques.

Depuis toujours, elle rend service à de nombreux domaines comme l’astronomie, la mécanique ou la médecine.

Dans ce cadre, nous nous intéressons à la médecine, un domaine où la physique est omniprésente, notamment à travers la radiothérapie, l’imagerie médicale, la médecine nucléaire ou encore la radioprotection.

De nombreuses avancées médicales ont été rendues possibles grâce à la physique, permettant de vaincre certains cancers, de détecter des pathologies ou encore d’étudier le corps humain en profondeur.

Parmi ces avancées figure la thérapie par faisceaux de particules, utilisée dans la recherche et le traitement du cancer.

Ce type de radiothérapie repose sur l’utilisation d’accélérateurs de particules médicaux, capables de produire des rayonnements ionisants pour traiter certaines maladies ou freiner leur progression.

Dans cette perspective, nous pouvons nous demander : En quoi les accélérateurs de particules représentent-ils une innovation majeure en médecine ? I- Présentation de l’accélérateur de particules Les premiers accélérateurs datent du début du XXe siècle, comme le cyclotron de Lawrence en 1930.

À l’origine utilisés pour la recherche en physique nucléaire, on a vite compris leur potentiel en médecine, notamment après les progrès en radiobiologie.

Aujourd’hui, des accélérateurs comme les LINAC sont présents dans des dizaines de centres anticancer en France.

Au premier abord, la création d’accélérateurs de particules suscite de nombreux questionnements, en effet certains scientifiques s’effrayaient d’une catastrophe comme un trou noir, d’autres voyaient ce projet comme révolutionnaire pour la physique fondamentale.

Un accélérateur propulse des particules chargées, comme des protons ou des électrons, à des vitesses très élevées, proches de celle de la lumière qui s’élève à 300 millions de m/s.

Elles sont ensuite projetées sur une cible ou contre d’autres particules, circulant en sens inverse, ces collisions permettent aux physiciennes et physiciens de sonder l’infiniment petit.

Lorsque les particules sont suffisamment énergétiques, il se produit un phénomène qui défie le sens commun : l’énergie de la collision se transforme en matière.

Elle se matérialise sous forme de particules, dont les plus massives existaient dans l’Univers . Ce phénomène est décrit par la célèbre équation d’Einstein E=mc 2 : la matière est une forme concentrée d’énergie et les deux sont interchangeables. Le grand collisionneur de hadrons LHC, l’accélérateur le plus puissant au monde, propulse ainsi des particules communes, comme des protons qui forment la matière que nous connaissons.

Accélérés à une vitesse proche de la lumière, ils percutent d’autres protons.

Ces collisions génèrent des particules massives, comme le boson de Higgs ou le quark top.

La mesure de leurs propriétés permet de comprendre la matière et les origines de l’Univers.

Ces particules massives n’existent qu’un instant et ne sont pas observées directement.

Elles se transforment (ou se désintègrent) instantanément en particules plus légères, qui se désintègrent à leur tour.

Les particules issues des désintégrations successives sont identifiées dans les couches du détecteur. II- Utilisation des accélérateurs de particules en médecine La protonthérapie est une technique de traitement du cancer qui repose sur l’utilisation de protons accélérés.

Grâce à un accélérateur linéaire (LINAC), ces protons sont portés à des vitesses très élevées, proches de 70 % de la vitesse de la lumière.

Leur comportement est très particulier : lorsqu’ils pénètrent dans le corps, ils déposent peu d’énergie au début de leur trajectoire, puis libèrent l’essentiel de leur énergie à une profondeur bien définie.

C’est ce qu’on appelle l’effet Bragg.

Cela permet de cibler très précisément une tumeur en profondeur tout en épargnant les tissus sains autour.

Ainsi cette technique est utilisé au Centre national de la recherche scientifique (CNRS) et plus précisément le centre d’Orsay, qui abrite le Centre de protonthérapie d’Orsay (CPO).

Ces LINAC accélère les particules chargées en ligne droite, pour cela on utilise un champ électrique qui pousse les particules de plus en plus vite.

De fait un champ électrique uniforme exerce une force constante sur une particule chargée de formule F= q*E avec q qu’exprime la charge de la particule en Coulomb et E le champ électrique en V/m car on sait que le champ électrique se calcul aussi par la relation: E=|U|/d, avec U la tension et d la distance entre électrodes. Cela créer une accélération d’après la deuxième de Newton qui dit que la somme des forces vaut m*a or l’unique force appliqué est la force électrique qui vaut q*E donc témoigne d’une augmentation de la vitesse de la particule.

C’est exactement ce qui se passe dans un linac : à chaque étape, on augmente la vitesse des particules grâce à des champs électriques alternés avec un champ électrique et la force sur la particule → donc accélération a=qE/m .Les LINAC sont couramment utilisés dans les centres anticancer pour générer des faisceaux d’électrons ou de protons utilisés en radiothérapie. L’énergie d’une particule dépend de sa vitesse, en médecine, on a deux grands intérêts : - Les électrons ou protons accélérés peuvent être dirigés vers une tumeur, grâce à leur grande énergie, ils cassent l’ADN des cellules.... »