Hace unos 10 años, El láser de rayos X más potente del mundo, la fuente de luz coherente Linac, hizo su debut en el SLAC National Accelerator Laboratory. Ahora, el próximo láser de rayos X revolucionario en una clase propia, LCLS-II, está en construcción en SLAC, con el apoyo de otros cuatro laboratorios nacionales del DOE.

Investigadores en biología, La química y la física utilizarán LCLS-II para sondear piezas fundamentales de materia, crear películas en 3D de moléculas complejas en acción, haciendo de LCLS-II un poderoso, instrumento versátil a la vanguardia del descubrimiento.

El proyecto se concreta gracias en gran parte a un avance crucial en los campos de la física nuclear y de partículas:la tecnología de aceleradores superconductores. Fermilab y Thomas Jefferson National Accelerator Facility del DOE están construyendo los módulos superconductores necesarios para la actualización del acelerador para LCLS-II.

Una poderosa herramienta para el descubrimiento

Dentro del acelerador de partículas lineal de SLAC hoy, Los estallidos de electrones se aceleran a energías que permiten que LCLS dispare 120 pulsos de rayos X por segundo. Estos pulsos duran cuadrillonésimas de segundo, una escala de tiempo conocida como femtosegundo, que proporciona a los científicos una visión similar a la de un libro animado de los procesos moleculares.

"Tiempo extraordinario, puedes crear una película molecular de cómo evolucionan los diferentes sistemas, "dijo el científico de SLAC Mike Dunne, director de LCLS. "Eso ha demostrado ser bastante notable, pero también tiene una serie de limitaciones. Ahí es donde entra en juego LCLS-II ".

Utilizando tecnología de acelerador de partículas de última generación, LCLS-II proporcionará un asombroso millón de pulsos por segundo. El avance proporcionará una visión más detallada de cómo las sustancias químicas, Los sistemas materiales y biológicos evolucionan en una escala de tiempo en la que se forman y rompen enlaces químicos.

Para entender realmente la diferencia, imagina que eres un extraterrestre que visita la Tierra. Si tomas una imagen al día de una ciudad, notarías las carreteras y los coches que circulan por ellas, pero no podías saber la velocidad de los autos o adónde van los autos. Pero tomar una instantánea cada pocos segundos le brindaría una imagen muy detallada de cómo fluyen los automóviles por las carreteras y revelaría fenómenos como atascos de tráfico. LCLS-II proporcionará este tipo de información de cambio de paso aplicada a productos químicos, Procesos biológicos y materiales.

Para alcanzar este nivel de detalle, SLAC necesita implementar tecnología desarrollada para la física de partículas (cavidades de aceleración superconductoras) para alimentar el láser de electrones libres LCLS-II, o XFEL.

Acelerando la ciencia

Las cavidades son estructuras que imparten energía a los haces de partículas, acelerando las partículas dentro de ellos. LCLS-II, como los aceleradores de partículas modernos, aprovechará la tecnología de cavidad de radiofrecuencia superconductora, también llamada tecnología SRF. Cuando se enfría a 2 Kelvin, las cavidades superconductoras permiten que la electricidad fluya libremente, sin ninguna resistencia. Como reducir la fricción entre un objeto pesado y el suelo, menos resistencia eléctrica ahorra energía, permitiendo que los aceleradores alcancen mayor potencia a menor costo.

"La tecnología SRF es el paso habilitador para los millones de pulsos por segundo de LCLS-II, ", Dijo Dunne." Jefferson Lab y Fermilab han estado desarrollando esta tecnología durante años. La experiencia central para hacer posible la vida de LCLS-II en estos laboratorios ".

Fermilab modificó un diseño de cromódulo de DESY, en Alemania, y preparó especialmente las cavidades para extraer el rendimiento récord de las cavidades y los cromódulos que se utilizarán para LCLS-II.

Los cromódulos en forma de cilindro, alrededor de un metro de diámetro, actúan como contenedores especializados para albergar las cavidades. Dentro, El helio líquido ultrafrío fluye continuamente alrededor de las cavidades para asegurar que mantengan los inquebrantables 2 Kelvin esenciales para la superconductividad. Alineados de punta a punta 37 cromódulos alimentarán el LCLS-II XFEL.

Fermilab y Jefferson Lab comparten la responsabilidad de fabricar, probando y entregando los cromódulos a SLAC. Juntos, los dos laboratorios construirán todos los cromódulos que albergarán las cavidades. Fermilab proporcionará 19 cromódulos, y Jefferson Lab proporcionará los otros 18. El mayor de estos cilindros alcanza los 12 metros (40 pies) de longitud, aproximadamente la longitud de un autobús escolar. Cada laboratorio también enviará algunos repuestos a SLAC.

Las cavidades y sus cromódulos representan avances en la tecnología SRF, proporcionando haces de alta energía mucho más eficientemente de lo que era posible anteriormente. Los investigadores han mejorado las cavidades SRF para lograr gradientes récord, una medida de la rapidez con la que un rayo puede alcanzar cierta energía. Las cavidades también lograron recientemente un resultado sin precedentes en su eficiencia energética, duplicando el diseño de vanguardia anterior al tiempo que se reducen los costos.

Los científicos e ingenieros fueron meticulosos en el desarrollo de los componentes del acelerador de LCLS-II. Por ejemplo, para crear los cromódulos y cavidades, Fermilab utilizó equipos de detección de terremotos para identificar si las vibraciones que afectaban la efectividad de las cavidades eran internas o externas. Una vez que determinaron la causa, cambiaron la configuración de las tuberías de helio líquido para reducir esas vibraciones.

Fermilab y Jefferson Lab también enviarán científicos e ingenieros para ayudar a SLAC cuando LCLS-II encienda por primera vez los cromódulos.

Jefferson Lab también está proporcionando el diseño y la adquisición de las plantas de refrigeración criogénica que suministran el helio líquido para enfriar las cavidades SRF a 2 Kelvin, mientras que Fermilab está proporcionando el diseño y la adquisición de componentes para los sistemas de distribución criogénicos que mueven el helio líquido de estas plantas a los cromódulos. Berkeley Lab y Argonne National Laboratory también contribuyen con componentes para LCLS-II, incluida la fuente que proporciona el haz de electrones y los imanes que fuerzan al haz en el movimiento ondulatorio que crea la luz de rayos X. La Universidad de Cornell apoyó la investigación y el desarrollo de prototipos de cavidades LCLS-II y ayudó a procesar las cavidades.

"Estamos todos juntos en esto, "dijo Rich Stanek, Líder del equipo senior de LCLS-II Fermilab. "Esta estrecha colaboración de los laboratorios nacionales es un buen augurio para proyectos futuros. Tiene beneficios más allá del proyecto en sí".

Esos beneficios han convertido a LCLS-II en uno de los proyectos de máxima prioridad para la Oficina de Ciencias del DOE y se expanden más allá de los intereses de los laboratorios asociados. Se espera que LCLS-II se base en su progenitor, profundizando aún más en campos que van desde la biología y la química hasta la ciencia de los materiales y la astrofísica.

Apertura, bucear profundo

Eric Isaacs, el presidente de la Carnegie Institution for Science y presidente del Comité de Política Científica de SLAC, ya ha revisado una serie de propuestas para LCLS-II.

"Hay una gran cantidad de procesos que ocurren en escalas de tiempo muy cortas, "Isaacs dijo, un físico de materia condensada de formación. "Y LCLS-II abre áreas completamente nuevas de las ciencias para estudiar".

Una de esas preguntas utilizará el láser de rayos X para sondear material en condiciones similares al centro mismo de nuestro planeta y comprender cómo se formó la Tierra. Los astrofísicos podrían adaptar esa información para su búsqueda de vida en exoplanetas.

Con LCLS-II, los científicos podrán estudiar la fotosíntesis a un nivel más profundo que nunca. La esperanza es que los seres humanos algún día puedan aplicar ingeniería inversa a la fotosíntesis y aprovechar una nueva herramienta biológica para generar energía.

Una de las formas en que LCLS-II hará avanzar la investigación en biología es mapeando proteínas y enzimas en condiciones que se asemejan a sus entornos normales. Esta comprensión más profunda allanará el camino para que los científicos creen mejores medicamentos.

Los científicos también tienen la intención de utilizar LCLS-II para investigar superconductores, trayendo el círculo completo del uso de la tecnología del acelerador por parte de la máquina. Los superconductores actuales están limitados por su necesidad de temperaturas bajas. Al comprender el fenómeno atómico de la superconductividad, los investigadores podrían crear un superconductor a temperatura ambiente.

"La física nuclear y de partículas ha desarrollado las tecnologías y capacidades superconductoras que utilizará LCLS-II, ", Dijo Isaacs." Estos avances permitirán a LCLS-II analizar algunas de las preguntas más importantes en muchas ramas de la ciencia ".

Como ocurre con cualquier avance importante, el verdadero poder transformador de LCLS-II se revelará una vez que sus rayos X iluminen una muestra por primera vez. Está previsto que LCLS-II se ponga en marcha en 2021.