Immerso a 30 piedi sottoterra a Menlo Park, in California, un tratto di tunnel lungo mezzo miglio è ora più freddo della maggior parte dell'universo. Ospita un nuovo acceleratore di particelle superconduttore, parte di un progetto di aggiornamento del laser a elettroni liberi a raggi X Linac Coherent Light Source (LCLS) presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento di Energia.

Gli equipaggi hanno raffreddato con successo l'acceleratore a meno 456 gradi Fahrenheit, o 2 Kelvin, una temperatura alla quale diventa superconduttore e può aumentare gli elettroni ad alte energie con quasi zero energia persa nel processo. È una delle ultime pietre miliari prima che LCLS-II produca impulsi di raggi X che sono in media 10.000 volte più luminosi di quelli di LCLS e che arrivano fino a un milione di volte al secondo, un record mondiale per il più potente X- sorgenti luminose a raggi.

"In poche ore, LCLS-II produrrà più impulsi di raggi X di quanti l'attuale laser abbia generato nella sua intera vita", afferma Mike Dunne, direttore di LCLS. "I dati che una volta avrebbero potuto richiedere mesi per essere raccolti potrebbero essere prodotti in pochi minuti. Porterà la scienza dei raggi X a un livello superiore, aprendo la strada a una gamma completamente nuova di studi e avanzando la nostra capacità di sviluppare tecnologie rivoluzionarie per affrontare alcuni dei le sfide più profonde che la nostra società deve affrontare."

Con queste nuove capacità, gli scienziati possono esaminare i dettagli di materiali complessi con una risoluzione senza precedenti per guidare nuove forme di informatica e comunicazioni; rivelare eventi chimici rari e fugaci per insegnarci come creare industrie più sostenibili e tecnologie energetiche pulite; studiare come le molecole biologiche svolgono le funzioni della vita per sviluppare nuovi tipi di farmaci; e sbirciare nel bizzarro mondo della meccanica quantistica misurando direttamente i movimenti dei singoli atomi.

Un'impresa agghiacciante

LCLS, il primo laser a elettroni liberi (XFEL) a raggi X duri al mondo, ha prodotto la sua prima luce nell'aprile 2009, generando impulsi di raggi X un miliardo di volte più luminosi di qualsiasi cosa fosse arrivata prima. Accelera gli elettroni attraverso un tubo di rame a temperatura ambiente, che limita la sua velocità a 120 impulsi di raggi X al secondo.

Nel 2013, SLAC ha lanciato il progetto di aggiornamento LCLS-II per aumentare tale frequenza a un milione di impulsi e rendere il laser a raggi X migliaia di volte più potente. Affinché ciò accada, gli equipaggi hanno rimosso parte del vecchio acceleratore di rame e installato una serie di 37 moduli di accelerazione criogenica, che ospitano stringhe di cavità metalliche di niobio simili a perle. Questi sono circondati da tre strati annidati di apparecchiature di raffreddamento e ogni strato successivo abbassa la temperatura fino a raggiungere quasi lo zero assoluto, una condizione in cui le cavità di niobio diventano superconduttive.

"A differenza dell'acceleratore in rame che alimenta LCLS, che funziona a temperatura ambiente, l'acceleratore superconduttore LCLS-II funziona a 2 Kelvin, solo circa 4 gradi Fahrenheit sopra lo zero assoluto, la temperatura più bassa possibile", ha affermato Eric Fauve, direttore della divisione criogenica di SLAC. "Per raggiungere questa temperatura, il linac è ​​dotato di due criopiante di elio di livello mondiale, rendendo SLAC uno dei punti di riferimento criogenici significativi negli Stati Uniti e nel mondo. Il team di SLAC Cryogenics ha lavorato in loco durante la pandemia per installare e mettere in servizio il sistema criogenico e raffreddare l'acceleratore in tempi record."

Uno di questi crioimpianto, costruito appositamente per LCLS-II, raffredda il gas elio dalla temperatura ambiente fino alla sua fase liquida a pochi gradi sopra lo zero assoluto, fornendo il refrigerante per l'acceleratore.

Il 15 aprile il nuovo acceleratore ha raggiunto per la prima volta la sua temperatura finale di 2 K e oggi, 10 maggio, l'acceleratore è pronto per le prime operazioni.

"Il raffreddamento è stato un processo critico e doveva essere eseguito con molta attenzione per evitare di danneggiare i criomoduli", ha affermato Andrew Burrill, direttore della direzione dell'acceleratore di SLAC. "Siamo entusiasti di aver raggiunto questo traguardo e ora possiamo concentrarci sull'accensione del laser a raggi X."

Dai vita

Oltre a un nuovo acceleratore e un crioimpianto, il progetto richiedeva altri componenti all'avanguardia, tra cui una nuova sorgente di elettroni e due nuove stringhe di magneti ondulatori in grado di generare raggi X sia "duri" che "morbidi". I raggi X duri, che sono più energetici, consentono ai ricercatori di visualizzare materiali e sistemi biologici a livello atomico. I raggi X morbidi possono catturare il modo in cui l'energia scorre tra atomi e molecole, monitorando la chimica in azione e offrendo approfondimenti sulle nuove tecnologie energetiche. Per dare vita a questo progetto, SLAC ha collaborato con altri quattro laboratori nazionali, Argonne, Berkeley Lab, Fermilab e Jefferson Lab, e la Cornell University.

Jefferson Lab, Fermilab e SLAC hanno unito le loro competenze per la ricerca e lo sviluppo sui criomoduli. Dopo aver costruito i criomoduli, Fermilab e Jefferson Lab hanno testato ciascuno di essi in modo approfondito prima che le navi fossero imballate e spedite allo SLAC su camion. Il team di Jefferson Lab ha anche progettato e aiutato a procurarsi gli elementi delle criopiante.

"Il progetto LCLS-II ha richiesto anni di impegno da parte di grandi team di tecnici, ingegneri e scienziati di cinque diversi laboratori DOE negli Stati Uniti e molti colleghi da tutto il mondo", afferma Norbert Holtkamp, ​​vicedirettore SLAC e direttore del progetto per LCLS- II. "Non saremmo potuti arrivare dove siamo ora senza queste collaborazioni continue e l'esperienza e l'impegno dei nostri collaboratori."

Verso le prime radiografie

Ora che le cavità sono state raffreddate, il passo successivo è pomparle con più di un megawatt di potenza a microonde per accelerare il fascio di elettroni dalla nuova sorgente. Gli elettroni che passano attraverso le cavità trarranno energia dalle microonde in modo che quando gli elettroni saranno passati attraverso tutti i 37 criomoduli, si muoveranno vicino alla velocità della luce. Quindi saranno diretti attraverso gli ondulatori, costringendo il fascio di elettroni su un percorso a zigzag. Se tutto è allineato correttamente, entro una frazione della larghezza di un capello umano, gli elettroni emetteranno le esplosioni di raggi X più potenti del mondo.

Questo è lo stesso processo utilizzato da LCLS per generare i raggi X. Tuttavia, poiché LCLS-II utilizza cavità superconduttive invece di cavità di rame calde basate su una tecnologia vecchia di 60 anni, può fornire fino a un milione di impulsi al secondo, 10.000 volte il numero di impulsi di raggi X per la stessa bolletta energetica.

Una volta che LCLS-II produrrà i suoi primi raggi X, cosa che dovrebbe avvenire entro la fine dell'anno, entrambi i laser a raggi X lavoreranno in parallelo, consentendo ai ricercatori di condurre esperimenti su un intervallo di energia più ampio, acquisire istantanee dettagliate di processi ultraveloci, sondare delicati campioni e raccogliere più dati in meno tempo, aumentando il numero di esperimenti che possono essere eseguiti. Amplierà notevolmente la portata scientifica della struttura, consentendo agli scienziati di tutta la nazione e di tutto il mondo di perseguire le idee di ricerca più convincenti. + Esplora ulteriormente

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