p Cerca de 10 anos atrás, o laser de raios-X mais poderoso do mundo - a Linac Coherent Light Source - fez sua estreia no SLAC National Accelerator Laboratory. Agora, o próximo revolucionário laser de raios-X em uma classe própria, LCLS-II, está em construção no SLAC, com o apoio de outros quatro laboratórios nacionais do DOE. p Pesquisadores em biologia, química e física usarão LCLS-II para sondar peças fundamentais da matéria, criando filmes 3-D de moléculas complexas em ação, tornando o LCLS-II um poderoso, instrumento versátil na vanguarda da descoberta.

p O projeto está se concretizando em grande parte graças a um avanço crucial nos campos da física de partículas e nuclear:a tecnologia de aceleradores supercondutores. Fermilab do DOE e Thomas Jefferson National Accelerator Facility estão construindo os módulos supercondutores necessários para a atualização do acelerador para LCLS-II.

p Uma ferramenta poderosa para descoberta

p Dentro do acelerador de partículas linear do SLAC hoje, rajadas de elétrons são aceleradas a energias que permitem ao LCLS disparar 120 pulsos de raios-X por segundo. Esses pulsos duram quatrilionésimos de segundo - uma escala de tempo conhecida como femtossegundo - fornecendo aos cientistas uma visão semelhante a um livro de folhear sobre os processos moleculares.

p "Hora extra, você pode construir um filme molecular de como diferentes sistemas evoluem, "disse o cientista do SLAC Mike Dunne, diretor do LCLS. "Isso provou ser bastante notável, mas também tem uma série de limitações. É aí que entra o LCLS-II. "

p Usando tecnologia de acelerador de partículas de última geração, O LCLS-II fornecerá um impressionante milhão de pulsos por segundo. O avanço fornecerá uma visão mais detalhada de como os produtos químicos, os sistemas materiais e biológicos evoluem em uma escala de tempo em que ligações químicas são feitas e quebradas.

p Para realmente entender a diferença, imagine que você é um alienígena visitando a Terra. Se você tirar uma imagem de uma cidade por dia, você notaria as estradas e os carros que passam por elas, mas não dava para saber a velocidade dos carros ou para onde vão. Mas tirar uma foto a cada poucos segundos forneceria uma imagem altamente detalhada de como os carros fluem nas estradas e revelaria fenômenos como engarrafamentos. LCLS-II irá fornecer este tipo de informação de mudança de etapa aplicada a produtos químicos, processos biológicos e materiais.

p Para atingir esse nível de detalhe, O SLAC precisa implementar a tecnologia desenvolvida para a física de partículas - cavidades de aceleração supercondutora - para alimentar o laser de elétrons livres LCLS-II, ou XFEL.

p Ciência acelerada

p Cavidades são estruturas que transmitem energia aos feixes de partículas, acelerando as partículas dentro deles. LCLS-II, como aceleradores de partículas modernos, aproveitará a tecnologia de cavidade de radiofrequência supercondutora, também chamada de tecnologia SRF. Quando resfriado a 2 Kelvin, cavidades supercondutoras permitem que a eletricidade flua livremente, sem qualquer resistência. Como reduzir o atrito entre um objeto pesado e o solo, menos resistência elétrica economiza energia, permitindo que os aceleradores alcancem maior potência com menos custos.

p "A tecnologia SRF é a etapa de habilitação para milhões de pulsos por segundo do LCLS-II, "Dunne disse." O Jefferson Lab e o Fermilab vêm desenvolvendo essa tecnologia há anos. A experiência principal para tornar o LCLS-II possível vive nesses laboratórios. "

p O Fermilab modificou um projeto de criomódulo de DESY, Na Alemanha, e preparou especialmente as cavidades para desenhar o desempenho recorde das cavidades e criomódulos que serão usados ​​para LCLS-II.

p Os criomódulos em forma de cilindro, cerca de um metro de diâmetro, atuam como recipientes especializados para alojar as cavidades. Dentro, o hélio líquido ultracold flui continuamente ao redor das cavidades para garantir que elas mantenham os constantes 2 Kelvin, essenciais para a supercondutividade. Alinhado de ponta a ponta, 37 cromódulos irão alimentar o LCLS-II XFEL.

p Fermilab e Jefferson Lab compartilham a responsabilidade pela fabricação, testar e entregar os criomódulos ao SLAC. Juntos, os dois laboratórios construirão todos os criomódulos que irão abrigar as cavidades. O Fermilab fornecerá 19 cromódulos, e o Jefferson Lab fornecerá os outros 18. O maior desses cilindros chega a 12 metros (40 pés) de comprimento, sobre o comprimento de um ônibus escolar. Cada laboratório também enviará alguns sobressalentes para o SLAC.

p As cavidades e seus criomódulos representam avanços na tecnologia SRF, fornecendo feixes de alta energia com muito mais eficiência do que anteriormente possível. Os pesquisadores melhoraram as cavidades SRF para atingir gradientes de registro, uma medida de quão rapidamente um feixe pode atingir uma determinada energia. As cavidades também alcançaram recentemente um resultado sem precedentes em sua eficiência energética, dobrando o design anterior de última geração e, ao mesmo tempo, reduzindo custos.

p Os cientistas e engenheiros foram meticulosos no desenvolvimento dos componentes do acelerador do LCLS-II. Por exemplo, para criar os criomódulos e cavidades, O Fermilab utilizou equipamentos de detecção de terremotos para identificar se as vibrações que afetavam a eficácia das cavidades eram internas ou externas. Depois de determinar a causa, eles mudaram a configuração dos tubos de hélio líquido para reduzir essas vibrações.

p O Fermilab e o Jefferson Lab também enviarão cientistas e engenheiros para ajudar o SLAC quando o LCLS-II ligar os criomódulos pela primeira vez.

p Jefferson Lab também está fornecendo o projeto e aquisição de plantas de refrigeração criogênica que fornecem o hélio líquido para resfriar as cavidades SRF a 2 Kelvin, enquanto o Fermilab está fornecendo o projeto e aquisição de componentes para os sistemas de distribuição criogênica que movem o hélio líquido dessas plantas para os cromódulos. O Berkeley Lab e o Argonne National Laboratory também contribuem com componentes para o LCLS-II, incluindo a fonte que fornece o feixe de elétrons e os ímãs que forçam o feixe no movimento ondulatório que cria a luz de raios-X. Cornell University apoiou a pesquisa e desenvolvimento de protótipos de cavidades LCLS-II e ajudou a processar as cavidades.

p "Estamos juntos nessa, "disse Rich Stanek, Líder da equipe sênior do Fermilab LCLS-II. "Esta estreita colaboração de laboratórios nacionais é um bom presságio para projetos futuros. Ela tem benefícios além do próprio projeto."

p Esses benefícios fizeram do LCLS-II um dos projetos prioritários para o Escritório de Ciência do DOE e se expandiram para além dos interesses dos laboratórios parceiros. Espera-se que LCLS-II se baseie em seu progenitor, mergulhar ainda mais fundo em campos que vão da biologia e química à ciência dos materiais e astrofísica.

p Abrindo, mergulhando fundo

p Eric Isaacs, o presidente da Carnegie Institution for Science e presidente do SLAC Scientific Policy Committee, já analisou uma série de propostas para LCLS-II.

p “Existem inúmeros processos que ocorrem em escalas de tempo muito curtas, "Isaacs disse, um físico de matéria condensada por treinamento. "E o LCLS-II abre áreas totalmente novas das ciências para estudar."

p Uma dessas perguntas usará o laser de raios-X para sondar o material sob condições semelhantes às do centro de nosso planeta e obter uma visão de como a Terra se formou. Os astrofísicos seriam então capazes de adaptar essas informações para sua busca por vida em exoplanetas.

p Com LCLS-II, os cientistas serão capazes de estudar a fotossíntese em um nível mais profundo do que nunca. A esperança é que os humanos um dia sejam capazes de fazer engenharia reversa da fotossíntese e aproveitar uma nova ferramenta biológica para gerar energia.

p Uma das maneiras pelas quais o LCLS-II avançará a pesquisa em biologia é mapeando proteínas e enzimas em condições semelhantes a seus ambientes normais. Essa compreensão mais profunda abrirá o caminho para que os cientistas criem medicamentos melhores.

p Os cientistas também pretendem usar o LCLS-II para pesquisar supercondutores, trazendo o ciclo completo do uso da tecnologia de acelerador pela máquina. Os supercondutores atuais são limitados por sua necessidade de Baixas temperaturas. Ao compreender o fenômeno atômico da supercondutividade, os pesquisadores podem ser capazes de criar um supercondutor à temperatura ambiente.

p "A física de partículas e nucleares desenvolveram as tecnologias e recursos supercondutores que o LCLS-II usará, "Isaacs disse." Esses avanços permitirão ao LCLS-II examinar algumas das questões mais importantes em muitos ramos da ciência. "

p Como acontece com qualquer grande avanço, o verdadeiro poder transformador do LCLS-II será revelado assim que seus raios X iluminarem uma amostra pela primeira vez. O LCLS-II está planejado para iniciar em 2021.