Унутар врхунске рендгенске машине на свету пре него што постане моћнија

Галерија Клистрон, бетонски ходник начичкан равномерно распоређеним металним цилиндрима, довољно је дугачак да се протеже поред мог видокруга. Али док стојим у њој, знам да се испод мојих ногу крије нешто још спектакуларније.

Испод галерије Клистрон налази се гигантска метална цев која се протеже на 3,2 километра: Линац кохерентни извор светлости ИИ (ЛЦЛС-ИИ). Ова машина, која се налази у СЛАЦ Натионал Аццелератор Лаборатори у Калифорнији, генерише рендгенске импулсе снажније од оних произведених у било ком другом објекту на свету, а ја сам је у посети јер је недавно оборила један од сопствених рекорда. Међутим, ускоро ће се његове најмоћније компоненте угасити ради надоградње. Када се поново укључи, вероватно већ 2027. године, његови рендгенски зраци ће имати више него дупло већу енергију.

„Биће то као да пређете од светлуцања до сијалице“, каже Јамес Цриан из СЛАЦ-а.

Описивање ЛЦЛС-ИИ као пуког светлуцања је велико потцењивање. Године 2024. произвео је најмоћнији рендгенски пулс икада забележен. Трајао је само 440 милијардити милијардити део секунде, али је носио скоро терават снаге, што далеко превазилази просечну годишњу производњу нуклеарне електране. Штавише, 2025. године, ЛЦЛС-ИИ је генерисао 93.000 рендгенских импулса у једној секунди – рекорд за рендгенски ласер.

Цриан каже да овај последњи запис отвара пут истраживачима да добију невиђен поглед на понашање честица унутар молекула након што апсорбују енергију. То је упоредиво са претварањем црно-белог филма њиховог понашања у оштрији филм који врви од боја. Између овог достигнућа и предстојеће надоградње, ЛЦЛС-ИИ има шансу да радикално побољша наше разумевање субатомског понашања система осетљивих на светлост, било да се ради о биљкама за фотосинтезу или кандидатима за боље соларне ћелије.

ЛЦЛС-ИИ све ово постиже убрзавањем електрона док се не приближе брзини светлости – крајњој космичкој граници брзине. Цилиндрични уређаји које сам видео, а то су клистрони који дају име галерији Клистрон, одговорни су за производњу микроталаса који постижу ово убрзање. Једном довољно брзи, електрони пролазе кроз редове од хиљада магнета чији су полови пажљиво распоређени да би се електрони који се крећу померали. Ово, заузврат, производи рендгенске импулсе. Попут медицинских рендгенских зрака, ови импулси се затим могу користити за снимање унутрашњости материјала.

На дан моје посете обилазим једну од неколико експерименталних хала у којима рендгенски зраци завршавају своје путовање ударајући се у молекуле. Завирим у неке од комора где се сусрећу молекул и рендгенски снимак. Они су као нешто из футуристичке подморнице: дебели метални цилиндри са округлим стакленим прозорима, који су сви пажљиво спојени заједно како не би пустили залутале молекуле ваздуха који би могли да ометају експеримент.

Цриан и његове колеге су спровели експеримент ноћ пре моје посете, истражујући кретање протона унутар молекула. Методе снимања, осим рендгенских зрака, боре се да тачно одреде како се протони крећу, али тачни детаљи процеса су важни за развој соларних ћелија, каже он.

Шта ће се догодити са таквим истрагама када ЛЦЛС-ИИ заврши своју надоградњу „Хигх Енерги“ да постане ЛЦЛС-ИИ-ХЕ? Способност проучавања понашања честица и наелектрисања унутар молекула значајно ће се повећати, каже Цриан. Међутим, доћи до тамо неће бити лак задатак.

ЦЕРН и Монт Бланц, тамна и смрзнута материја: Швајцарска и Француска

Припремите се да вам ум одушеви ЦЕРН, европски центар за физику честица, где истраживачи управљају чувеним Великим хадронским сударачем, смештеним у близини шармантног швајцарског града на језеру Женеве.

Џон Шмерге из СЛАЦ-а каже да што је сноп електрона енергичнији, тим више мора да брине да ли ће чак и само неколико честица залутати. Каже да је једном видео како несавршено контролисан сноп запали рупу у инструменту у другом објекту, тако да има мало места за грешке. Јуантао Динг из СЛАЦ-а каже да су сви нови делови које ће тим инсталирати током надоградње дизајнирани да издрже нову, већу снагу објекта, али да ће бити кључно појачати напајање корак по корак и проверити да ли све ради како је предвиђено. „Укључићемо сноп и пажљиво посматрати шта се дешава“, каже он.

Он и његове колеге ће провести већи део 2026. правећи велики инжењерски напор да би све делове поставили на своје место, што ће их онда подесити за овај постепени процес током следеће године или две. Ако све буде ишло по плану, истраживачи широм света ће моћи да користе ЛЦЛС-ИИ-ХЕ до 2030. Разговори између истраживача који користе рендгенске зраке, као што је Цриан, и оних који га контролишу, попут Шмергеа и Динга, такође ће играти велику улогу. „На крају крајева, то је велики алат и људи ће научити како да га добро користе“, каже Шмерге. „Стално ћемо га прилагођавати.“