Un adieu à l'accélérateur de particules qui était le bébé de mon père

La semaine dernière, des techniciens du Laboratoire national d'Argonne ont commencé à démonter un accélérateur de particules connu sous le nom d'Advanced Photon Source (APS), un anneau de 1,1 kilomètre autour qui depuis 1995 a brillé comme l'une des sources de rayons X les plus brillantes au monde. Ce n'est pas la fin pour l'installation, qui sert chaque année près de 6 000 scientifiques dans une myriade de domaines. D'ici un an, les travailleurs remplaceront l'accélérateur d'électrons par un nouveau qui multipliera par 500 l'intensité des faisceaux de rayons X de sortie de l'APS. Une importante installation scientifique sera rajeunie. Ce n'est pas inhabituel.

Pour moi personnellement, cependant, le démontage de l'APS d'origine évoque de fortes émotions. Mon père, Yanglai Cho, était un physicien des accélérateurs qui a passé toute sa carrière à Argonne, un laboratoire du Département de l'énergie (DOE) à l'extérieur de Chicago. Il y a quarante ans, il dirigeait la petite équipe qui a élaboré le design conceptuel de la machine. Dans mon esprit, c'était son bébé. Lorsque papa est décédé en 2015 à l'âge de 82 ans, 4 ans après un accident vasculaire cérébral dévastateur, j'ai été réconforté par la pensée qu'il vivait dans cet accélérateur. Maintenant, elle aussi aura disparu.

J'étais adolescent quand, au début des années 1980, mon père a commencé à penser à l'accélérateur. Je l'aimais beaucoup, mais, comme beaucoup de gens, j'avais une relation compliquée avec mon père. Il pouvait être tyrannique et exigeant, égocentrique et distant. « Je me fiche de ce que tu fais du moment que tu es le meilleur dans ce domaine », me disait-il, à moi ou à l'un de mes deux frères, puis nous laissait patauger tout seuls. À l'époque, l'APS était cette chose mystérieuse qui occupait son temps et son esprit.

J'ai suivi mon père en physique, pour finalement décrocher un doctorat. Cependant, mon parcours m'a mené vers le journalisme scientifique. Au cours des 20 dernières années, j'ai écrit sur de nombreuses grandes installations scientifiques, allant des brise-atomes et des détecteurs d'ondes gravitationnelles aux lasers à rayons X et aux sources de neutrons. Je n'ai jamais rien construit, mais j'ai appris quelques choses sur ce qu'il faut pour créer ces machines souvent étonnantes. Et cela m'a aidé à mieux comprendre mon père.

"C'était un physicien des accélérateurs superbe et visionnaire, et il a transformé de nombreuses grosses machines à Argonne et ailleurs", explique un ancien responsable du DOE qui est toujours consultant pour l'agence et a donc demandé à ne pas être nommé. "C'était aussi un collègue et un enseignant formidable." Ayant verrouillé les cornes avec mon père tant de fois, je m'émerveille de cette dernière évaluation. Pourtant, en pensant à son travail, j'en suis venu à apprécier comment un immigrant sud-coréen avec un fort accent et un tempérament fougueux pouvait s'épanouir dans un domaine inhabituel et exigeant.

Comme les 70 autres synchrotrons à rayons X dans le monde, l'APS transforme ce qui était une nuisance en une puissante ressource pour l'étude des matériaux. Il accélère les électrons dans un long tube à vide à une énergie élevée et à une vitesse proche de la lumière, tandis que des aimants les dirigent autour de l'anneau. Le faisceau d'électrons en circulation émet des rayons X, tout comme une débarbouillette humide tourbillonnant au-dessus de la tête projette des gouttelettes d'eau. Ce rayonnement synchrotron sape l'énergie des électrons, de sorte que lorsque les accélérateurs ont été construits uniquement pour des expériences en physique des particules, c'était un gaspillage inévitable.

Dans les années 1960, les scientifiques ont commencé à siphonner le rayonnement X des accélérateurs d'électrons pour étudier les matériaux, par exemple en mesurant leur spectre d'absorption. Les premières grandes sources dédiées ont émergé dans la décennie suivante. L'APS a mené une vague de sources de troisième génération plus grandes et plus énergétiques, avec l'installation européenne de rayonnement synchrotron (ESRF) à Grenoble, en France, et l'installation SPring-8 à Hyogo, au Japon. Par rapport aux sources précédentes, la machine Argonne a produit des faisceaux d'électrons plus compacts qui ont généré des rayons X beaucoup plus intenses. Il a également poussé dans le régime des rayons X durs, ceux dont les longueurs d'onde sont inférieures à 0,1 nanomètre, qui sont idéales pour sonder la structure à l'échelle atomique d'un matériau. Il a reconstitué ses électrons non pas toutes les 12 heures, mais toutes les 30 secondes, maintenant l'intensité des faisceaux de rayons X stable.

Plus concrètement, l'APS a contribué à révolutionner la fiabilité des sources de rayons X, explique David Moncton, physicien au Massachusetts Institute of Technology qui a été directeur de laboratoire associé d'Argonne pour l'APS de 1987 à 2001. Auparavant, des machines plus pointilleuses fonctionnaient entre 50 % et 75 % du temps disponible, vexant les fonctionnaires qui essaient de programmer les utilisateurs d'une installation. L'APS a poussé ce facteur de fiabilité à 99 %, dit Moncton. "Si vous vous contentez d'acheter du matériel, de l'assembler et de croiser les doigts, vous ne vous retrouverez pas avec une machine qui fonctionne 99 % du temps."

Ces attributs ont fait de l'APS une police de découverte. Peut-être le plus frappant, ce synchrotrons à rayons X et d'autres de troisième génération ont révolutionné l'étude de la structure et de la fonction des protéines et d'autres biomolécules, déclare Helen Berman, biologiste structurale à l'Université Rutgers et cofondatrice de la banque de données mondiale sur les protéines. (APB). Avant de sonder des molécules avec des rayons X, les biologistes structuraux doivent les cristalliser, une tâche ardue. Berman dit que l'APS et d'autres sources de troisième génération ont fourni "la possibilité de prendre des données avec une source de rayons X très intense et d'utiliser des cristaux beaucoup plus petits".

Sur les 201 000 structures protéiques de la PDB, 72 % proviennent de synchrotrons à rayons X. Parmi ceux-ci, 30 466 proviennent de l'APS, soit 51 % du rendement des synchrotrons américains. Les données de l'APS ont aidé à remporter deux prix Nobel de chimie - en 2009, pour des études sur la fonction et la structure du ribosome, la machinerie de fabrication des protéines de la cellule ; et en 2012, pour des études sur les protéines de la membrane cellulaire appelées récepteurs couplés aux protéines G. L'APS a aidé à déterminer la structure du virus SARS-CoV-2, qui cause le COVID-19, et à développer le Paxlovid, un médicament utilisé pour le traiter.

L'APS prend en charge de nombreux autres types de travaux, comme je l'ai vu le mois dernier lorsque je me suis promené dans son vaste hall d'expérimentation en forme de tunnel. Dans les 68 stations terminales expérimentales de l'installation, les scientifiques analysent les propriétés quantiques des matériaux magnétiques, développent des adhésifs d'inspiration biologique et étudient même comment la structure à l'échelle atomique des batteries au plomb-acide change au cours de leur fonctionnement, une étude rendue possible par l'intensité de les radiographies de l'APS.

Tout cela était une lueur dans les yeux des scientifiques lorsque mon père a commencé à penser à l'accélérateur, qu'il voulait nommer Phoebus, du nom du dieu grec du Soleil. En 1983, il aidait à réparer un petit synchrotron à rayons X appelé Aladdin à l'Université du Wisconsin-Madison lorsqu'un comité d'examen a publié un rapport plaidant pour une plus grande source de rayons X durs. Assis dans la salle de contrôle d'Aladdin, mon père a lu le rapport, puis s'est précipité vers Argonne pour exhorter les responsables du laboratoire à financer la R&D sur la machine et à faire pression pour qu'Argonne l'héberge, dit Moncton.

Le laboratoire avait grand besoin d'un tel projet. Il y avait eu autrefois un programme de physique des particules florissant, ce qui avait attiré mon père. Mais en 1979, Argonne a fermé son accélérateur de protons, qui avait été remplacé par un nouveau beaucoup plus grand au Fermi National Accelerator Laboratory à 50 kilomètres de là. « Le laboratoire luttait pour une mission », dit Moncton. "Yang a immédiatement pensé que cela constituait un bon projet potentiel et qu'il était de taille à mener le laboratoire vers son avenir."

Le projet a également donné à mon père quelque chose dont il avait personnellement besoin. Comme la plupart d'entre nous, il était un fouillis de pièces de puzzle dépareillées. Il pouvait être capricieux à un moment, et ridiculement trop indulgent le suivant. Mes parents avaient divorcé quand j'étais jeune, mais il était une présence constante, se laissant entrer dans la maison de notre mère à sa guise. Il avait contracté la poliomyélite dans son enfance et avait une jambe flétrie. Néanmoins, il aimait nous emmener au bowling, même s'il tombait parfois. Il adorait sortir déjeuner et, curieusement, aimait les films de John Wayne. Mais, dans l'ensemble, après le divorce, il semblait malheureux.

L'effort clubby et intense de conception de la nouvelle machine l'a revitalisé. L'équipe était composée de mon père; Gopal Shenoy, scientifique des matériaux à Argonne décédé en 2017 ; et une douzaine d'autres. Sur une table de choix de la cafétéria de l'Argonne, mon père a affiché une pancarte "Réservé au personnel de l'APS" - et l'a remplacée par les employés de la cafétéria qui l'enlevaient à plusieurs reprises. En 1985, l'équipe de football des Bears de Chicago a pris d'assaut un championnat. Papa a apporté une télévision pour que les chercheurs puissent garder un œil sur les jeux tout en travaillant le dimanche.

Il a fallu 3 ans à l'équipe pour achever le design conceptuel. Ce que mon père a fait exactement reste un peu un mystère pour moi. En tant que physicien des accélérateurs, il a compris comment les électrons surfent sur les ondes radio pour gagner de l'énergie, les champs magnétiques concentrent ces particules, les résonances peuvent oblitérer un faisceau et le rayonnement synchrotron lui-même propulse les électrons. Mais il devait transformer ces connaissances en une conception réalisable. Son équipe a précisé la myriade de paramètres qui définissent l'APS : l'énergie du faisceau, le rayon de l'anneau, le nombre de paquets d'électrons dans le faisceau, la disposition des aimants, la fréquence des ondes radio, etc.

Le premier objectif était de créer le faisceau d'électrons le plus compact possible, qui émettrait ensuite les faisceaux de rayons X les plus brillants, explique John Galayda, un physicien des accélérateurs qui a travaillé sur l'APS. Le faisceau ne pouvait pas non plus bouger, dit-il. Un minuscule faisceau d'électrons émet un minuscule faisceau de rayons X, qui peut sonder de minuscules échantillons, à condition qu'il atteigne systématiquement la cible. Enfin, la machine devait fonctionner de la manière la plus fiable possible.

Les concepteurs de machines doivent trouver un équilibre délicat. La conception ne peut pas être si ambitieuse que la machine ne puisse pas être construite. Mais il ne peut pas être si prudent qu'il ne fait que reproduire ce qui existe déjà. Ainsi, un design contient invariablement des éléments que les constructeurs ne savent pas encore réaliser. "Chaque installation dans laquelle j'ai été impliqué - il y en a beaucoup - était unique en son genre, la première du genre", a déclaré l'ancien responsable du DOE. "Et cela signifie qu'il y a d'énormes problèmes techniques qui n'ont pas encore été résolus."

Apparemment, mon père était doué pour identifier ce qui, avec effort, pouvait être réalisé. "Il regardait ce que d'autres projets faisaient et l'utilisait et l'améliorait", explique Marion White, physicienne des accélérateurs à Argonne et veuve de mon père. "Il était incroyablement doué pour ça."

Bien sûr, un chef de projet doit aussi gérer des personnes. Et c'est là que mon père a lutté. Son style autocratique a fonctionné très tôt, lorsque le personnel du projet était composé de quelques personnes autosélectionnées. Il est devenu moins efficace à mesure que l'effort est devenu plus formel et s'est étendu à des centaines de personnes. "Il organisait une réunion et après, des gens venaient dans mon bureau et disaient:" Je n'en peux plus ", se souvient Moncton. Ainsi, en 1991, alors que la construction s'accélérait, un physicien du nom d'Ed Temple a remplacé mon père en tant que directeur de projet.

Mon père est cependant resté profondément impliqué dans le projet. Il a présidé le comité qui devait approuver toute modification de la conception finale. "Il serait assez dur à ce sujet", dit Galayda. "Je pense qu'il le considérait comme un processus contradictoire." Comme pour toute machine, certaines modifications, plus ou moins pénibles, ont dû être apportées. Néanmoins, l'APS est arrivé dans les limites du budget à 467 millions de dollars et en avance sur le calendrier.

Pour moi, il semblait que mon père avait ses doigts dans presque tous les aspects de l'établissement. Par exemple, le sol en béton de 90 000 mètres carrés de l'APS n'a pas de joints de dilatation. Les entrepreneurs les avaient exhortés à empêcher le plancher de se fissurer, dit Moncton, mais l'équipe de conception a insisté sur le fait que la stabilité du plancher était plus importante que les fissures superficielles. Je me souviens que mon père parlait des subtilités des sols en béton pendant le déjeuner.

Maintenant, les ouvriers démontent la machine de papa pour la remplacer par une conception de "quatrième génération". La nouvelle machine doublera le courant dans l'anneau à 200 milliampères. Plus important encore, son faisceau d'électrons sera encore plus compact, explique Jim Kerby, ingénieur en mécanique à Argonne et directeur du projet de 815 millions de dollars. Le faisceau de l'APS d'origine mesurait 10 micromètres de haut et 275 micromètres de large. Le faisceau du nouvel APS mesurera 3 micromètres de haut et 15 micromètres de large, soit moins que la largeur d'un cheveu humain.

Ce rétrécissement subtil dépend d'une différence clé entre les deux machines, dit Kerby. Dans l'ancien APS, le faisceau était toujours courbé vers l'intérieur, vers la droite. Dans le nouveau design, il se pliera occasionnellement vers l'extérieur, vers la gauche. Ces plis donnent lieu à une nouvelle dynamique qui rétrécit le faisceau - une approche pionnière dans l'installation MAX IV en Suède et déployée dans une reconstruction de l'ESRF achevée en 2020.

Le schéma nécessite un accélérateur presque entièrement nouveau. Les ouvriers remplaceront les aimants APS d'origine par 1321 nouveaux et modifieront l'ensemble du système d'aspiration. "Nous échangeons essentiellement tout l'anneau", déclare Kerby. La transformation ne prendra qu'un an. "Cela a toujours été un livrable du projet que le temps d'arrêt soit aussi court qu'il est humainement possible", déclare Kerby. D'ici là, la machine de mon père ne sera plus qu'un souvenir.

Mais mon père lui-même pensait à de nouvelles machines avant même la mise en marche de l'APS. À la fin des années 1990, le laboratoire national d'Oak Ridge a commencé à construire la source de neutrons de spallation (SNS), qui claque un faisceau de protons dans une cible de mercure pour générer des neutrons pour étudier les matériaux. Le projet a connu des difficultés et le DOE a failli l'annuler, explique Thom Mason, directeur du Laboratoire national de Los Alamos, qui a été directeur du projet SNS de 2001 à 2008. Moncton, White, mon père et d'autres sont allés à Oak Ridge pour aider.

Mon père a dirigé l'équipe qui a apporté un changement de conception clé, dit Mason. Le plan initial du SNS prévoyait un accélérateur linéaire conventionnel composé de cavités accélératrices en cuivre. L'équipe est passée à une nouvelle conception avec des cavités faites d'un métal supraconducteur, qui promettait d'être plus économe en énergie, fiable et flexible. "En conséquence, nous avons fini par construire le premier accélérateur de protons supraconducteur au lieu du dernier normal", explique Mason.

Mon père a été consultant sur des projets d'accélérateurs en Corée du Sud, en Allemagne, au Japon et ailleurs, trouvant sa place dans l'étrange communauté des constructeurs de machines scientifiques. Il avait grandi dans la misère dans ce qui est aujourd'hui la Corée du Sud, alors occupée par le Japon. Il est venu aux États-Unis à l'âge de 24 ans et n'est pas rentré chez lui pendant 17 ans. Que ce soit en raison de différences culturelles, de son handicap ou de son tempérament, il était souvent un étranger.

Pas quand il était parmi ses collègues, cependant. Le plus heureux que j'ai jamais vu mon père, c'était quand il jouait avec ses petits-enfants. Une seconde proche était quand il fréquentait ses collègues. Au moins certains d'entre eux appréciaient également sa compagnie. "Pour moi, travailler avec votre père a été une expérience merveilleuse", déclare Giorgio Margaritondo, physicien à l'EPFL, anciennement l'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne, qui s'est associé à lui sur Aladdin.

En fait, mon père a réussi à trouver une communauté dans laquelle il pourrait réussir non pas malgré sa personnalité piquante, mais, dans une certaine mesure, grâce à elle. "Construire un accélérateur est une tâche très complexe avec de nombreuses sous-tâches et beaucoup de coordination, etc., vous devez donc exécuter la chose presque de manière militaire", explique Margaritondo. "Il y a un élément absolument nécessaire pour que quelqu'un soit un leader qui est d'être respecté. Votre père a vraiment imposé le respect des collaborateurs."

En pensant au travail de mon père, je réalise aussi à quel point lui et moi différons sur un point important. Je ne pouvais pas le faire en tant que physicien en partie à cause de mon pessimisme réflexif. Confronté à un schéma complexe, j'ai tendance à répondre : "Ça ne marchera jamais." En revanche, mon père avait la confiance nécessaire pour décomposer une proposition technique à peine concevable, identifier les obstacles et trouver des moyens de les surmonter. "C'était la personne la plus optimiste que j'aie jamais rencontrée", a déclaré White.

En vertu de cet optimisme, mon père a aidé à créer des installations qui ont permis à des milliers de scientifiques d'explorer le monde naturel, au profit de nous tous. Cet héritage est beaucoup moins concret, mais beaucoup plus important que n'importe quel accélérateur particulier. Donc, c'est ce que je retiendrai maintenant.