Les scientifiques pourraient bientôt percer les secrets des plus petites particules du monde de manière plus détaillée que jamais grâce à une mise à niveau majeure du plus puissant laser du genre dans le monde.
Le ministère américain de l’Énergie (DOE) a donné son feu vert à la modernisation de la source de lumière cohérente Linac (LCLS), un laser à rayons X incroyablement puissant utilisé pour la recherche. Celui-ci est basé au Laboratoire national des accélérateurs du SLAC, situé juste à côté du campus de l’Université de Stanford, dans la région de la baie de San Francisco.
Les scientifiques utilisent le LCLS pour documenter et analyser les éléments constitutifs de l’univers en faisant exploser des atomes, des nanostructures et des molécules avec des rayons X. Cela leur permet de documenter les processus atomiques qui régissent le fonctionnement du monde et est particulièrement utile pour sonder les processus subatomiques dans les sciences quantiques, énergétiques et biologiques.
Les lasers à électrons libres comme celui-ci produisent une lumière brillante sur une longueur d’onde incroyablement large, avec des faisceaux d’un ordre de grandeur plus brillants et plus intenses que les autres lasers. Le LCSC fonctionne en accélérant les électrons jusqu’à une vitesse proche de celle de la lumière, puis en les concentrant à travers un réseau d’aimants appelé « onduleur ». Cela les oblige à libérer des photons (particules de lumière) dans un faisceau concentré et brillant qui illumine les particules selon un processus similaire à l’imagerie par rayons X suralimentée.
Comment fonctionne le laser à rayons X LCSC
Le LCLS est situé dans un tunnel de 3,2 kilomètres utilisé à l’origine pour un accélérateur de particules construit en 1962. Il a été modernisé pour la première fois en 2023 dans le cadre du projet « LCLS-II ». Le nouveau matériel ajouté au laser a augmenté sa luminosité, ce qui a permis d’obtenir un faisceau allant jusqu’à 10 000 fois plus lumineux qu’avec la première phase du LCLS. LCSC-II est également mille milliards de fois plus lumineux que les rayons X que vous pourriez trouver dans un hôpital. Il émet des faisceaux en rafales allant jusqu’à un million d’impulsions par seconde – chacune ne durant que quelques femtosecondes – le temps qu’il faut à la lumière pour parcourir 300 nanomètres (soit approximativement la largeur d’un virus).
Cela lui permet de filmer des « films » image par image de processus chimiques : en 2015, cela a permis aux scientifiques de voir comment des liaisons chimiques se forment pour la première fois, et en 2023 pour observer le étapes de la photosynthèse en temps réel. Cela nous aide à tout comprendre, des réactions chimiques à la conservation de l’énergie dans les nouvelles cellules solaires.
Une partie du projet a vu l’ajout d’un nouvel accélérateur supraconducteur, qui a considérablement augmenté la vitesse d’accélération des électrons dans le laser. Pour obtenir ces résultats, il fallait refroidir le trajet des particules à un niveau proche zéro absolu en utilisant 37 modules cryogéniques (cryomodules), qui ont abaissé les températures au sein du LCLS à -456 degrés F (-271 degrés C) — c’est plus froid que l’espace lointain.
Ces modules sont alignés les uns après les autres et forment le boîtier dans lequel le laser du LCLS-II est tiré. Dans chaque cryomodule du circuit se trouvent des cavités radiofréquence qui, une fois refroidies à leurs températures incroyablement basses, agissent comme supraconducteurs pour amplifier la production d’énergie du faisceau laser. Les cryomodules contiennent de l’hélium surfondu et des cavités radiofréquences supraconductrices qui aident à refroidir les matériaux utilisés dans les systèmes scientifiques sensibles tels que le LCLS, leur permettant de fonctionner sans résistance électrique ni production de chaleur.
À quoi s’attendre du LCLS-II-HE
Cette dernière série de mises à niveau est connue sous le nom de « LCLS-II-HE » et doublera l’énergie produite par le faisceau d’électrons libres de LCLS-II, pour une luminosité globale 3 000 fois supérieure. Cela nécessitera davantage de refroidissement avec 23 cryomodules supplémentaires.
Pour construire ces nouveaux composants, le Laboratoire national des accélérateurs du SLAC travaillera avec le Laboratoire national des accélérateurs Fermi, l’Installation pour les faisceaux d’isotopes rares (FRIB) de l’Université de l’État du Michigan et l’Installation nationale de l’accélérateur Thomas Jefferson. Il collaborera également avec le Lawrence Berkeley National Laboratory, qui a conçu les onduleurs utilisés dans le LCLS-II aux côtés du Argonne National Laboratory, pour adapter l’onduleur aux nouvelles exigences de sortie.
« La mise à niveau du LCLS-II-HE constituera une avancée transformatrice pour la mission scientifique du DOE Basic Energy Sciences et pour la communauté scientifique au sens large », a déclaré le directeur du LCLS, Mike Dunne, dans un communiqué. communiqué de presse. « Si la mise à niveau LCLS-II a permis d’obtenir une caméra vidéo de haute qualité capable de capturer des images claires et détaillées, la mise à niveau LCLS-II-HE augmente considérablement la résolution et la sensibilité de cette caméra. Les scientifiques seront capables d’imager le mouvement à l’échelle atomique des matériaux, des systèmes chimiques et des complexes biologiques pour relever certains des défis les plus critiques auxquels notre société est confrontée.
La mise à niveau coûtera 716 millions de dollars et devrait renforcer considérablement les capacités scientifiques du Laboratoire national des accélérateurs du SLAC, géré par l’Université de Stanford au nom du DOE. À l’heure actuelle, l’organisation s’attend à ce que la mise à niveau soit achevée d’ici 2030, même si les scientifiques espèrent mener des essais beaucoup plus tôt pour démontrer tout le potentiel du laser.
Les lasers à rayons X comme le LCLS présentent un potentiel de transformation pour la découverte scientifique. Ils sont déjà utilisés pour étudier les structures optimales pour nanotechnologie et les nanomatériaux, que les représentants du Laboratoire national des accélérateurs du SLAC j’ai dit pourrait contribuer à améliorer la technologie des énergies renouvelables et la densité énergétique des batteries. Ces travaux scientifiques pourraient également élargir notre compréhension des processus biologiques à l’échelle nanométrique dans le but de fabriquer de meilleurs médicaments, ont-ils ajouté.
Une fois mis à niveau, le LCLS produira plus d’un pétaoctet de données par jour, qui pourront à leur tour être utilisées pour former l’apprentissage automatique et intelligence artificielle (IA) modèles déployés dans les domaines scientifiques précités.
