Circa 10 anni fa, il laser a raggi X più potente al mondo, il Linac Coherent Light Source, ha fatto il suo debutto allo SLAC National Accelerator Laboratory. Ora il prossimo rivoluzionario laser a raggi X in una classe a sé stante, LCLS-II, è in costruzione presso SLAC, con il supporto di altri quattro laboratori nazionali DOE.

Ricercatori in biologia, chimica e fisica utilizzeranno LCLS-II per sondare pezzi fondamentali di materia, creazione di filmati 3D di molecole complesse in azione, rendendo LCLS-II un potente, strumento versatile in prima linea nella scoperta.

Il progetto si sta realizzando grazie in gran parte a un progresso cruciale nei campi della fisica delle particelle e nucleare:la tecnologia degli acceleratori superconduttori. Il Fermilab del DOE e la Thomas Jefferson National Accelerator Facility stanno costruendo i moduli superconduttori necessari per l'aggiornamento dell'acceleratore per LCLS-II.

Un potente strumento di scoperta

All'interno dell'acceleratore lineare di particelle di SLAC oggi, i lampi di elettroni vengono accelerati a energie che consentono a LCLS di emettere 120 impulsi di raggi X al secondo. Questi impulsi durano quadrilionesimi di secondo, una scala temporale nota come femtosecondo, fornendo agli scienziati uno sguardo sui processi molecolari simile a un flipbook.

"Col tempo, puoi costruire un film molecolare di come si evolvono i diversi sistemi, ", ha affermato lo scienziato dello SLAC Mike Dunne, direttore di LCLS. "Si è dimostrato piuttosto notevole, ma ha anche una serie di limitazioni. È qui che entra in gioco LCLS-II."

Utilizzando la più moderna tecnologia degli acceleratori di particelle, LCLS-II fornirà un incredibile milione di impulsi al secondo. L'anticipo fornirà uno sguardo più dettagliato su come chimica, i sistemi materiali e biologici evolvono su una scala temporale in cui i legami chimici vengono creati e rotti.

Per capire davvero la differenza, immagina di essere un alieno in visita sulla Terra. Se scatti un'immagine al giorno di una città, noteresti le strade e le macchine che le percorrono, ma non potevi dire la velocità delle macchine o dove vanno le macchine. Ma scattare un'istantanea ogni pochi secondi ti darebbe un'immagine molto dettagliata di come le auto scorrono attraverso le strade e rivelerebbe fenomeni come gli ingorghi. LCLS-II fornirà questo tipo di informazioni sui cambiamenti di fase applicate a sostanze chimiche, processi biologici e materiali.

Per raggiungere questo livello di dettaglio, SLAC deve implementare la tecnologia sviluppata per la fisica delle particelle - cavità di accelerazione superconduttive - per alimentare il laser a elettroni liberi LCLS-II, o XFEL.

Scienza in accelerazione

Le cavità sono strutture che conferiscono energia ai fasci di particelle, accelerando le particelle al loro interno. LCLS-II, come i moderni acceleratori di particelle, trarrà vantaggio dalla tecnologia delle cavità a radiofrequenza superconduttiva, chiamata anche tecnologia SRF. Una volta raffreddato a 2 Kelvin, le cavità superconduttrici consentono all'elettricità di fluire liberamente, senza alcuna resistenza. Come ridurre l'attrito tra un oggetto pesante e il suolo, meno resistenza elettrica consente di risparmiare energia, consentendo agli acceleratori di raggiungere una potenza maggiore a un costo inferiore.

"La tecnologia SRF è il passo abilitante per i milioni di impulsi al secondo di LCLS-II, "Dunne ha detto. "Jefferson Lab e Fermilab hanno sviluppato questa tecnologia per anni. L'esperienza chiave per rendere possibile la LCLS-II vive in questi laboratori."

Fermilab ha modificato un design del criomodulo di DESY, in Germania, e preparato appositamente le cavità per trarre prestazioni da record dalle cavità e dai criomoduli che verranno utilizzati per LCLS-II.

I criomoduli cilindrici, di circa un metro di diametro, fungono da contenitori specializzati per l'alloggiamento delle cavità. Dentro, l'elio liquido ultrafreddo scorre continuamente intorno alle cavità per garantire che mantengano i 2 Kelvin costanti essenziali per la superconduttività. Allineati da un capo all'altro, 37 criomoduli alimenteranno LCLS-II XFEL.

Fermilab e Jefferson Lab condividono la responsabilità della fabbricazione, testare e consegnare i criomoduli allo SLAC. Insieme, i due laboratori realizzeranno tutti i criomoduli che ospiteranno le cavità. Fermilab fornirà 19 criomoduli, e Jefferson Lab fornirà gli altri 18. Il più grande di questi cilindri raggiunge i 12 metri (40 piedi) di lunghezza, circa la lunghezza di uno scuolabus. Ogni laboratorio invierà anche alcuni pezzi di ricambio a SLAC.

Le cavità e i loro criomoduli rappresentano innovazioni nella tecnologia SRF, fornendo fasci ad alta energia in modo molto più efficiente di quanto fosse possibile in precedenza. I ricercatori hanno migliorato le cavità SRF per ottenere gradienti record, una misura di quanto velocemente un raggio può raggiungere una certa energia. Le cavità hanno anche recentemente raggiunto un risultato senza precedenti nella loro efficienza energetica, raddoppiando il precedente design all'avanguardia riducendo i costi.

Gli scienziati e gli ingegneri sono stati meticolosi nello sviluppo dei componenti dell'acceleratore di LCLS-II. Per esempio, per creare i criomoduli e le cavità, Il Fermilab ha utilizzato apparecchiature di rilevamento dei terremoti per identificare se le vibrazioni che influiscono sull'efficacia delle cavità erano interne o esterne. Una volta determinata la causa, hanno cambiato la configurazione dei tubi dell'elio liquido per ridurre quelle vibrazioni.

Fermilab e Jefferson Lab invieranno anche scienziati e ingegneri per assistere SLAC quando LCLS-II accenderà per la prima volta i criomoduli.

Jefferson Lab fornisce anche la progettazione e l'approvvigionamento degli impianti di refrigerazione criogenica che forniscono l'elio liquido per raffreddare le cavità SRF a 2 Kelvin, mentre Fermilab sta fornendo la progettazione e l'approvvigionamento dei componenti per i sistemi di distribuzione criogenica che spostano l'elio liquido da questi impianti ai criomoduli. Anche Berkeley Lab e Argonne National Laboratory stanno contribuendo con componenti per LCLS-II, compresa la sorgente che fornisce il raggio di elettroni e i magneti che forzano il raggio nel movimento ondulatorio che crea la luce a raggi X. La Cornell University ha supportato la ricerca e lo sviluppo per i prototipi di cavità LCLS-II e ha aiutato a elaborare le cavità.

"Siamo tutti sulla stessa barca, " ha detto Rich Stanek, Capo del team senior LCLS-II Fermilab. "Questa stretta collaborazione dei laboratori nazionali è di buon auspicio per progetti futuri. Ha vantaggi che vanno al di là del progetto stesso".

Questi vantaggi hanno reso LCLS-II uno dei progetti prioritari per l'Office of Science del DOE e si espandono oltre gli interessi dei laboratori partner. LCLS-II dovrebbe basarsi sul suo progenitore, immergendosi ancora più in profondità in campi che vanno dalla biologia e chimica alla scienza dei materiali e all'astrofisica.

Apertura, tuffarsi in profondità

Eric Isaacs, il presidente della Carnegie Institution for Science e presidente dello SLAC Scientific Policy Committee, ha già esaminato una serie di proposte per LCLS-II.

"Esistono numerosi processi che si verificano su scale temporali molto brevi, "Isaac ha detto, un fisico della materia condensato per formazione. "E LCLS-II apre aree completamente nuove delle scienze da studiare".

Una di queste domande utilizzerà il laser a raggi X per sondare il materiale in condizioni simili al centro del nostro pianeta e ottenere informazioni su come si è formata la Terra. Gli astrofisici sarebbero quindi in grado di adattare tali informazioni per la loro ricerca della vita sugli esopianeti.

Con LCLS-II, gli scienziati saranno in grado di studiare la fotosintesi a un livello più profondo che mai. La speranza è che un giorno gli esseri umani siano in grado di decodificare la fotosintesi e sfruttare un nuovo strumento biologico per generare energia.

Uno dei modi in cui LCLS-II farà progredire la ricerca in biologia è mappando proteine ​​ed enzimi in condizioni simili ai loro ambienti normali. Questa comprensione più profonda aprirà la strada agli scienziati per creare farmaci migliori.

Gli scienziati intendono anche utilizzare LCLS-II per ricercare i superconduttori, portando l'uso della macchina della tecnologia degli acceleratori al punto di partenza. Gli attuali superconduttori sono limitati dalla loro necessità di specifiche, basse temperature. Comprendendo il fenomeno atomico della superconduttività, i ricercatori potrebbero essere in grado di creare un superconduttore a temperatura ambiente.

"La fisica delle particelle e nucleare ha sviluppato le tecnologie e le capacità superconduttrici che utilizzerà LCLS-II, "Ha detto Isaacs. "Questi progressi consentiranno a LCLS-II di esaminare alcune delle domande più importanti in molti rami della scienza".

Come per ogni progresso importante, il vero potere trasformativo di LCLS-II sarà rivelato una volta che i suoi raggi X illumineranno un campione per la prima volta. L'avvio di LCLS-II è previsto nel 2021.