Fysikkverdenen samler seg rundt CERNs Large Hadron Collider, som nå kommer online etterpå en lang oppgradering og en årelang pause. Men det er ikke den eneste vitenskapsmaskinen som bokstavelig talt mottar ny energi. Nesten 6000 miles unna, på den andre siden av kloden, gjennomgår en annen sin siste finpuss.
SLAC National Accelerator Laboratory, sør for San Francisco, er hjemmet til en stor laser kalt LCLS, som lar forskere bruke røntgenstråler for å kikke inn i molekyler. “Måten å tenke på et anlegg som LCLS er egentlig som et superoppløsningsmikroskop,” sier Mike Dunneanleggets direktør.
Nå har LCLS nettopp fullført en større oppgradering – kalt LCLS-II – som dykker laseren ned til bare noen få grader over absolutt null.
Gir en partikkelakselerator nytt liv
For et halvt århundre siden inneholdt SLACs tunnel en partikkelakselerator. Mens de fleste partikkelakseleratorer i dag sender steinbruddet sitt virvlende rundt i sirkler, var denne akseleratoren helt rett. For å få elektronene opp i hastighet for knusing, måtte den være over 2 miles lang. I flere tiår etter at det åpnet, var det “verdens lengste bygning.” (Tunnelen er så særegen, en milelang rett linje skåret inn i foten, at piloter bruk det for veisøking.)
Da den kom på nett i 1966, var denne såkalte Stanford Linear Accelerator et teknisk vidunder. I de følgende tiårene førte partikkelfysikkforskningen som ble utført der til ikke mindre enn tre Nobelpriser i fysikk. Men på det 21. århundre var det blitt noe av en relikvie, overgått av andre akseleratorer ved CERN og andre steder som kunne knuse partikler med langt høyere energier og se ting Stanford ikke kunne.
Men den 2 mil lange bygningen ble igjen, og i 2009 utstyrte SLAC den med en ny maskin: Linac Coherent Light Source (LCLS).
LCLS er et eksempel på et apparat kalt en X-ray free-electron laser (XFEL). Selv om det er en laser, har den ikke mye til felles med de små håndholdte laserpekerne som begeistrer kattunger. De lager en laserstråle ved hjelp av elektroniske komponenter som dioder.
En XFEL har derimot langt mer til felles med en partikkelakselerator. Faktisk er det laserens første trinn, som akselererer en elektronstråle til svært nær lysets hastighet. Deretter passerer disse elektronene gjennom en hanske av magneter som tvinger dem til å sikk-sakk i raske tilbakekoblinger. I prosessen skyter elektronene sin enorme energi fremover som røntgenstråler.
Å gjøre dette kan skape alle slags elektromagnetiske bølger fra mikrobølger til ultrafiolett til synlig lys. Men forskere foretrekker å bruke røntgenstråler. Det er fordi røntgenstråler har bølgelengder som er omtrent på størrelse med atomer, som, når de fokuseres i en kraftig stråle, lar forskere se inn i molekyler.
[Related: Scientists are putting the X factor back in X-rays]
LCLS er forskjellig fra de fleste andre røntgenkilder i verden. California-strålen fungerer som et strobelys. “Hver blits fanger opp bevegelsen til det molekylet i en bestemt tilstand,” sier Dunne.
LCLS kunne opprinnelig skyte 100 blink per sekund. Det gjorde det mulig for forskere å lage for eksempel en film av en kjemisk reaksjon mens den skjedde. De kunne se bindinger mellom atomer danne og bryte og se nye molekyler. Det kan snart være i stand til å lage filmer med bildefrekvenser tusenvis av ganger raskere.
Avkjøling av en laser
I sin første iterasjon brukte LCLS kobberstrukturer for å akselerere elektronene. Men å øke hele maskinens kraft presset grensene for det kobberet. “Kobberet trekker bare for mye strøm, så det smelter, akkurat som når du smelter en ledning i sikringsskapet,” sier Dunne.
Det er en vei rundt det: den bisarre kvanteeffekten kalt superledning.
Når du senker et materiale forbi en viss kritisk temperatur, faller dets elektriske motstand til praktisk talt ingenting. Da kan du funksjonelt få strøm til å flyte i det uendelige, uten å miste energi til omgivelsene, som varme.
LCLS er langt fra den første laseren som bruker teknologi som dette. Problemet er at å komme til den temperaturen – vanligvis bare noen få grader over absolutt null – er ingen liten prestasjon.
[Related: Scientists found a fleeting particle from the universe’s first moments]
“Det blir veldig vanskelig å støtte disse kryogene systemene som avkjøles til veldig lave temperaturer,” sier Georg Hoffstaetter, en fysiker ved Cornell University som tidligere hadde jobbet med teknologien. Det er superledende materialer som fungerer ved litt mindre utilgivelige temperaturer, men ingen av dem fungerer i rom som er hundrevis av fot lange.
Et mindre anlegg kan ha blitt berørt av denne utfordringen, men SLAC bygde et kjøleskap i lagerstørrelse i den ene enden av strukturen. Den bruker flytende helium for å kjøle ned akseleratoren til -456°F.
Superledning har også bonusen ved å gjøre oppsettet mer energieffektivt; store fysikkanlegg er notorisk for å bruke like mye strøm som små land gjør. “Den superledende teknologien i seg selv er på en måte en grønn teknologi, fordi så lite av akseleratorkraften blir omgjort til varme,” sier Hoffstaetter.
Når oppgraderingene er ferdige, vil den nye og forbedrede LCLS-II kunne levere ikke bare 100 pulser i sekundet, men så mange som en million.
Hva du skal gjøre med en million bilder per sekund
Dunne sier at det grovt sett er tre hovedområder hvor strålen kan fremme vitenskapen. For det første kan røntgenstrålen hjelpe kjemikere med å finne ut hvordan de kan få reaksjoner til å gå raskere ved å bruke mindre materiale, noe som kan føre til mer miljøvennlige industrielle prosesser eller mer effektive solcellepaneler.
For en annen kan verktøyet hjelpe biologer med å gjøre ting som medikamentoppdagelse – å se på hvordan legemidler påvirker enzymer i menneskekroppen som er vanskelige å studere via andre metoder.
For en tredjedel kan strålen hjelpe materialforskere til å bedre forstå hvordan et materiale kan oppføre seg under ekstreme forhold, for eksempel en røntgenstråle. Forskere kan også bruke den til å designe nye stoffer – for eksempel enda bedre superledere for å bygge fremtidige fysikkmaskiner akkurat som denne.
Selvfølgelig er det en hake. Som med enhver større oppgradering til en maskin som denne, må fysikere lære å bruke de nye verktøyene sine. “Du må liksom lære hvordan du gjør den vitenskapen fra bunnen av,” sier Dunne. “Det er ikke bare det du gjorde før … det er et helt nytt felt.”
Et problem forskerne må løse er hvordan de skal håndtere dataene laseren produserer: én terabyte, hvert sekund. Det er allerede et hinder som store anlegg står overfor, og det vil sannsynligvis bli enda mer akutt hvis nettverk og superdatamaskiner ikke helt kan følge med.
Likevel har ikke dette redusert fysikernes entusiasme for forbedring. Forskere planlegger allerede enda en oppdatering for laseren, satt til senere på 2020-tallet, som vil øke energien og tillate den å sondere enda dypere inn i atomenes verden.