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La struttura affinerà presto la nostra visione di come la natura funziona su scale ultrapiccole e ultraveloci, con risvolti dai dispositivi quantistici all’energia pulita.
Situato 10 metri sottoterra a Menlo Park, in California, un tratto di tunnel lungo un chilometro e mezzo è ora più freddo della maggior parte dell’universo. Ospita un nuovo acceleratore di particelle superconduttore, parte di un progetto di aggiornamento al laser a raggi X a raggi X Linac Coherent Light Source (LCLS) presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell’Energia.
Gli equipaggi hanno raffreddato con successo l’acceleratore a meno 235 gradi (2 kelvin) una temperatura alla quale diventa superconduttore e può spingere elettroni ad alte energie con quasi zero energia persa nel processo.
È una delle ultime pietre miliari prima che LCLS-II produca impulsi a raggi X che sono 10.000 volte più luminosi, in media, di quelli di LCLS e che arrivano fino a un milione di volte al secondo – un record mondiale per le sorgenti di luce a raggi X più potenti di oggi.
”In poche ore, LCLS-II produrrà più impulsi a raggi X di quanti l’attuale laser abbia generato in tutta la sua vita”, afferma Mike Dunne, direttore di LCLS. “I dati che una volta avrebbero richiesto mesi per essere raccolti potranno essere prodotti in pochi minuti. Porterà la scienza a raggi X al livello successivo, aprendo la strada a una gamma completamente nuova di studi e facendo progredire la nostra capacità di sviluppare tecnologie rivoluzionarie per affrontare alcune delle 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; rivelare eventi chimici rari e fugaci per insegnarci come produrre in modo più sostenibile e con 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 moti dei singoli atomi.
LCLS, il primo laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL) al mondo, ha prodotto la sua prima luce nell’aprile 2009, generando impulsi a raggi X un miliardo di volte più luminosi di qualsiasi cosa fosse generata 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 velocità a un milione di impulsi e rendere il laser a raggi X migliaia di volte più potente. Perché ciò accadesse, gli equipaggi hanno rimosso parte del vecchio acceleratore di rame e installato una serie di 37 moduli acceleratori criogenici. Questi sono circondati da tre strati nidificati di apparecchiature di raffreddamento e ogni strato successivo abbassa la temperatura fino a raggiungere quasi lo zero assoluto.
”A differenza dell’acceleratore che alimenta LCLS, che funziona a temperatura ambiente, l’acceleratore superconduttore LCLS-II funziona a 2 kelvin, solo circa 2 gradi sopra lo zero assoluto, la temperatura più bassa possibile”, ha affermato Eric Fauve, direttore della divisione criogenica dello SLAC.
“Per raggiungere questa temperatura, il linac è dotato di due criopianti di elio. Il team di SLAC Cryogenics ha lavorato sul posto durante la pandemia per installare e mettere in servizio il sistema criogenico e raffreddare l’acceleratore in tempi record”.
Uno di questi criopianti, 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 l’acceleratore è pronto per le operazioni iniziali.
Oltre a un nuovo acceleratore e un criopianto, il progetto ha richiesto altri componenti all’avanguardia, tra cui una nuova sorgente di elettroni e magneti 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.
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 attireranno energia dalle microonde in modo che quando gli elettroni saranno passati attraverso tutti i 37 criomoduli, si avvicineranno alla velocità della luce. Quindi saranno diretti attraverso i magneti, forzando il fascio di elettroni in un percorso a zigzag. Se tutto è allineato nel modo giusto – entro una frazione della larghezza di un capello umano – gli elettroni emetteranno i più potenti raggi X del mondo.
Una volta che LCLS-II produrrà i suoi primi raggi X, che dovrebbe avvenire entro la fine dell’anno, entrambi i laser a raggi X lavoreranno in parallelo, consentendo ai ricercatori di condurre esperimenti su una gamma di energia più ampia, acquisire istantanee dettagliate di processi ultraveloci, sondare campioni delicati e raccogliere più dati in meno tempo, aumentando il numero di esperimenti che possono essere eseguiti. Espanderà notevolmente la portata scientifica della struttura, consentendo agli scienziati di tutto il mondo di perseguire le idee di ricerca più convincenti.
