Des chercheurs du groupe DICO au LIDYL, en collaboration avec d’autres partenaires, ont mesuré avec une résolution inédite la production locale d’espèces radicalaires dans l’eau le long de la trajectoire d’un faisceau de protons. Cette étude apporte un éclairage nouveau sur les processus physico-chimiques qui se produisent dans la région terminale des faisceaux de protons, là où l’énergie déposée atteint un maximum appelé pic de Bragg.
Comprendre la chimie de la radiolyse de l’eau dans cette zone constitue un verrou scientifique important. Lorsqu’un proton traverse l’eau, il y dépose de l’énergie et déclenche une cascade de réactions chimiques extrêmement rapides produisant des espèces très réactives, notamment l’électron hydraté et le radical hydroxyle. Ces espèces jouent un rôle clé dans les effets biologiques des rayonnements, par exemple dans le contexte de la protonthérapie. Cependant, leur mesure précise dans la région du pic de Bragg reste très difficile : cette zone où les protons terminent leur trajectoire est très étroite (de l’ordre de 1 à 2 mm) et les conditions physico-chimiques y évoluent très rapidement. Pour dépasser cette limite, les chercheurs ont mis en œuvre un spectromètre optique original utilisant un faisceau de fibres permettant d’observer ces réactions avec une résolution spatiale d’environ 280 µm et de suivre en temps réel les produits de radiolyse dans les derniers millimètres de la trajectoire d’un faisceau de protons de 62 MeV dans l’eau.
Les mesures révèlent que la production de ces espèces chimiques évolue fortement le long de la trajectoire du faisceau. Dans les premières régions traversées par les protons, les rendements radicalaires diminuent progressivement à mesure que l’énergie déposée augmente. Ils atteignent un minimum au voisinage du pic de Bragg, là où le débit de dose est maximal. Par exemple, le rendement des radicaux hydroxyles, mesuré par absorption, peut descendre jusqu’à 2,2 × 10⁻⁷ mol J⁻¹ dans cette région. De manière inattendue, les chercheurs observent ensuite une remontée partielle des rendements dans la zone située juste après le pic de Bragg, appelée région distale. Cette tendance apparaît de manière cohérente avec plusieurs méthodes expérimentales, suggérant une modification des processus chimiques lorsque les protons arrivent en fin de trajectoire.
Une explication possible pourrait être liée à l’évolution de la structure microscopique des traces d’ionisation laissées par les protons dans l’eau. À mesure que les particules ralentissent, leur distribution d’énergie et la densité locale des ionisations changent, ce qui modifie les conditions dans lesquelles les radicaux se forment et interagissent. La dispersion des énergies des protons près de leur point d’arrêt pourrait ainsi conduire à une distribution différente des événements d’ionisation et expliquer l’augmentation relative des rendements observée après le pic de Bragg, même si l’origine précise de ce phénomène reste encore discutée.
Au-delà de ces résultats, cette étude souligne les défis expérimentaux associés à la mesure directe des espèces radicalaires dans des environnements extrêmement réactifs. Les molécules utilisées comme sondes optiques peuvent en effet être modifiées dans les traces d’ionisation ou voir leur signal atténué, ce qui peut conduire à sous-estimer certains rendements. Malgré ces limites, ces travaux apportent des données inédites sur la chimie des faisceaux de protons dans l’eau et contribuent à mieux comprendre les mécanismes physico-chimiques à l’œuvre dans la région du pic de Bragg, avec des implications importantes pour la radiobiologie et l’optimisation des traitements par protonthérapie.
Référence
« Hydrated electron and hydroxyl radical end-of-track yields under proton beam in water », J. Audouin, L. Desorgher, P. Hofverberg, G. Baldacchino, Radiation Physics and Chemistry (2025).
Collaboration
- Centre Hospitalier Universitaire Vaudois – CHUV, Hôpital universitaire de Lausanne.
- Centre de Lutte contre le Cancer Antoine Lacassagne – UNICANCER/CAL à Nice.
- Fédération de recherche Claude Lalanne.
Contact
Gérard Baldacchino, Directeur de recherche, groupe Dynamique et Interactions en phase Condensée – DICO, Laboratoire Interactions, Dynamiques et Lasers – LIDYL, CEA-IRAMIS.