加利福尼亚升级后的粒子加速器即将为一些令人难以置信的科学提供动力。SLAC 国家加速器实验室的直线加速器大楼。
科学家们正准备释放异常强大的X射线束，这将有助于揭示宇宙在最小尺度上的运作方式。由于对加利福尼亚州门洛帕克 2 英里长的粒子加速器进行了升级，使光束成为可能，该加速器将把电子激发到光速的 99.9999999%——大约每小时 6.7 亿英里——以创建有望解开缠结的图像诸如光合作用的基础以及材料如何导电等奥秘。
SLAC 国家加速器实验室的新X射线将比以前的装置产生的亮度高10,000倍，这一改进将开启材料和原子研究的新时代。这种科学逐渐改变了我们对更大事物的理解，比如电网、计算机和新药。
现在需要做的就是将加速器冷却到 -456° 华氏度，并调整整个结构，使穿过它的电子能够以足够快的速度移动，每秒产生 100 万个X射线脉冲。激光的冷却从 3 月开始，应该在 4 月底结束。
“就科学而言，这对国家乃至世界都很重要，因为通过科学的进步，我们都可以拥有更好的智能手机，可以与我们的遥控器通话，以及我们可以构建的所有其他我们大多数人认为理所当然的东西，”加速器理事会副实验室主任安德鲁·伯里尔(Andrew Burrill)去年秋天告诉我。“大多数人并不关心冰箱的工作原理;他们只是想让它工作。我们的智能手机也是如此，我们的互联网提供商也是如此。但通过这些科学进步，它有助于改善所有这些事情。”
新的激光器被称为 Linac(用于直线加速器)相干光源-II，它将与已有 13 年历史的前身一起工作。最初的 LCLS 是世界上第一台硬X射线自由电子激光——这意味着它通过围绕未附着在原子核上的电子来产生最高能量的X射线(电磁光谱中伽马射线之前的最后一站)。LCLS 在 2 英里长的管子中加速电子，每秒产生 120 个X射线脉冲。在加速器的远端，研究人员将X射线束对准他们的实验，生成的图像远比你所得到的任何骨折的图像都要详细得多。新的 LCLS-II 功能类似，但其X射线输出跃升至每秒 100 万个脉冲——超过了今天任何其他设施的能力——使用超导体。
2021 年 10 月对 LCLS 的激光束线进行维护。照片: Isaac Schultz
LCLS-II 对改进日常技术具有重大意义。除非你非常固执(和小心)，否则你今天使用的手机与 2010 年的手机不一样。事实上，你十年前使用的任何手机的电池都可能在很久以前就耗尽了。但去年，LCLS 的研究产生了一种新的电池设计，可以将重型电池组件的重量减轻 80%，并自动熄灭任何电池起火。对药品和智能手机等现代产品的改进 是在最小的尺度上进行的——在原子水平上解决问题，这改变了我们日常生活中宏观物体的形状和设计。
SLAC 的不同类型的调查——无论是研究人员是在探索有机材料还是爆炸小块金属——使用不同的仪器。LCLS-II 的X射线脉冲升级将全面提供帮助，使科学家能够制作分子尺度的反应电影。SLAC 以每秒一百万个脉冲有效地将这些分子电影从定格动画升级到 4K。
例如，相干X射线成像仪可用于观察蓝藻中的蛋白质在被激光粉碎时如何反应。LCLS-II 将提高科学家对该反应的了解程度。哥伦比亚大学的生物物理学家詹姆斯巴克斯特说：“目前，我们的想法是，我们在X射线束前进行采样 [以捕捉反应]，但由于X射线之间存在间隙，因此浪费了很多东西。” . “但是当我们有更多的X射线进入时，我们将获得更多的照片，以便以更快的方式获取数据，更有效地使用更少的样本。”
一名研究人员举起一根针，该针在相干X射线成像仪器中发射样本。照片: Isaac Schultz
考虑一下狂欢节上的闪光灯。如果闪光灯闪烁得足够快，您基本上会感觉灯亮着。如果闪烁是错开的，你只能瞥见黑暗之间的房间。Baxter 指出，“这些实验很有趣;” 也许与 rave 的另一个相似之处。像 Baxter 这样的研究人员被称为用户，他们在进行实验时接管给定的仪器三到五天。SLAC 附属的束线科学家随时为您提供支持，并可以根据研究人员的规格编辑电子束。
当我在 10 月份访问 SLAC 时，康奈尔大学的物理学家安德烈·辛格(Andrej Singer)和他的团队正在使用X射线相关光谱仪来观察钌酸钙样本是如何从绝缘体跃迁到金属的——这种转变大大减少了材料的导电性，并在皮秒内发生。(飞秒时间尺度的 LCLS 图像，或千分之一皮秒，这本身就是万亿分之一秒。)“我们对在超快时间尺度上对凝聚态系统进行成像感兴趣，”辛格说，并补充说，使用 LCLS -II，“我们将能够将分辨率提高 5 或 10 倍。我们显然会看到我们现在看不到的东西。”
在这些实验大厅的任何一天，构成我们周围世界的基本过程都被探索或推到了极限，从实验中收集的数据被无情地询问。大厅里装饰着 Hello Kitty 壁纸、luchador 纪念品和涂鸦，展示了在强大设备中工作的许多个性。携带来自加速器的X射线的管道穿过实验箱，就像研究人员在轮到他们进行实验时汲取的高能血液一样。当激光启动时，每个房间都会亮起明亮的紫色指示灯。
SLAC 科学家的大量涂鸦。照片: Isaac Schultz
直线加速器中有一个广泛的警报系统，以及在发生氦泄漏或辐射问题时可以躲避的房间。当接收端的研究人员准备进行实验时，他们会搜索小屋的四个角落，并喊出“搜索!” 太平洋西北国家实验室的科学家 Elisa Biasin 解释道。一旦他们确定小屋里没有人，就会有特殊的门将房间与建筑物的其他部分隔离开来。“X射线很危险，因为它们可以电离物质，”Biasin 说，“你不想电离身体软组织之类的东西。”
斯坦福大学的物理学家、SLAC 的帕诺夫斯基研究员 Benjamin Ofori-Okai 解释说，被激光束击中可以将材料“变成汤”。他说，从附近听到的反应听起来像是“砰”的一声。
这些材料变成的“汤”是等离子体，这是一种很难处理的材料。但是 LCLS 就派上用场了。等离子“往往会反射很多光，这意味着如果你想用光来询问它，那很难，”Ofori-Okai 说。“X射线是个例外。事实证明，X 射线非常非常好地穿过等离子体。这就是为什么 LCLS 作为一种工具能够独特地探测这类复杂系统的原因。”
LCLS-II 管理的脉冲比其前身多得多，因为它不是将电子发送到铜管中，而是将它们通过一系列由超导铌金属制成的空腔。如果你试图通过 LCLS 铜管发送如此多的电子脉冲，它们就会熔化。
37 个超导管被称为低温模块，因为它们的超导能力归功于它们接近绝对零的温度;低温模块将被冷却到 -456° Fahrenheit (2 kelvin)。它们为电子进行 2 英里的旅程提供了一条几乎没有摩擦的路径。
LCLS-II 的电子将由电子枪产生，电子枪本身就是一个小型加速结构。碲化铯光电阴极(光电阴极是将光子(光粒子)转化为电子的表面)由驱动激光器用紫外线照射，发射出大量电子。枪内有一个激发粒子的射频场，它们被直接释放到第一个加速的低温模块中。
最重要的是，这座喧嚣的建筑贯穿了地下加速器的整个长度。SLAC 人员经常将其描述为世界上最长、最直的建筑。这就是速调管廊，之所以如此命名，是因为它容纳了 2,500 磅、6 英尺高的罐，这些罐产生微波脉冲，LCLS 电子骑在上面。每个速调管的功率是微波炉的 60,000 倍。骑乘这些脉冲有助于将电子(它们自然地相互排斥，具有相同的电荷)保持成束，这对于在另一端产生X射线很重要。
除了画廊中的速调管外，还有固态放大器，它们对 LCLS-II 的意义就如同速调管对原始 LCLS 的意义。这些放大器产生的射频 通过管道传送到下方约 25 英尺的低温模块中。 “他们只是在射频波上冲浪，”正如 Burrill 所说。
低温模块携带液氦，液态氦在附近一座名为低温装置的建筑物中冷却，该建筑物是在过去四年中建造的，专门用于实现直线加速器的过冷。低温装置充满了一组装有氮气和氦气的大桶——一个由前能源部长里克·佩里签名的罐子——如果没有它，整个操作将是无用的。
SLAC 的低温装置。照片: Olivier Bonin/SLAC National Accelerator Laboratory
因为这些管子不在真空中，但低温模块中的电子在，所以射频波通过加速器侧面的一个陶瓷圆盘，称为窗口，它禁止空气进入真空，但允许波通过。一旦 LCLS-II 电子通过低温模块，它们就会以极快的速度航行到这列近乎光速的列车的最后一站。
这些停止是加速器尾端的波荡器，它使用一系列磁铁引导分组电子通过管子。磁铁具有交替电荷，使电子组来回弹跳，同时发射X射线。这些X射线有两种类型：一种是硬X射线，即所谓的能量(或“明亮”)，另一种是软X射线，其亮度较低，但在处理采样时更精细材料。还有柔和的X射线，它是硬X射线和软X射线的混合体，它可以提供独特的一瞥材料，这些材料的成分在硬射线和软射线中都更清晰可见。在 LCLS 受脉冲速率限制的情况下(因为 SLAC 不想熔化铜加速器)，超导加速器可以不间断地传输电子。
“现在有更多的光子，有更多的X射线可以用来做科学研究，”伯里尔说。“如果你正在收集数据……每秒 120 次拍摄需要很长时间。但以每秒一百万发的速度，根本不需要任何时间。”
在 LCLS-II 和 LCLS 之前，有 SLAC。SLAC 由斯坦福大学的物理学家于 1962 年创立，他们希望了解宇宙的基本组成部分，它是旧金山南部的一堆实验室，它们产生了非凡的科学成果。SLAC 的第一个发现与基本粒子无关。在挖掘现场时，工人们偶然发现了中新世哺乳动物的骨骼化石。然而，自从第一次发现以来，他们主要关注物理学，SLAC 的科学家们已经获得了四项诺贝尔奖——一个是化学奖，三个是物理学奖——后者是因为发现了粲夸克(1976 年)，即夸克粒子物理模型(1990 年)和 tau 轻子(1995 年)。
研究人员评估 ChemRIXS 仪器的性能。照片: Isaac Schultz
经过 SLAC 多年的研究，一些科学家意识到他们可以利用碰撞实验的副作用：当电子改变轨迹时，它们会发射辐射。对于试图观察粒子如何碰撞的人来说，这种副作用很烦人，但对于任何试图使用高能X射线进行成像的人来说，它都非常有用。
LCLS-II 的非凡项目已接近尾声，但最后的步骤既重要又复杂。管理低温装置的 Eric Fauve 在一封电子邮件中表示，“现在正在降温”，“我们预计将在 2022 年秋末实现我们制造X射线的第一个轻型里程碑。”
但是任何价值数百万美元的物理项目不仅有下一次升级的计划，而且还有之后的升级计划。一些研究人员，包括 Ofori-Okai 和试图寻找暗物质的物理学家，都期待着 LCLS-II 的高能更新，恰当地称为LCLS-II-HE。
“请记住，当 SLAC 成立时，它是一个粒子物理实验室，”Ofori-Okai 说。“LCLS 可以说是 SLAC 目前的主要价值产品，或者至少是它最向外投射的东西，它并不存在，也没有人认为它会成为一个东西。高能物理学中没有人关心飞秒X射线脉冲的概念。”
这肯定会改变，尽管即使是即将与 LCLS-II 一起投入使用的X射线脉冲最终也会被一些更好的技术所取代。但从每秒 120 个脉冲跃升至 100 万个脉冲是不朽的。因此，在继续进行下一件大事之前，也许值得细细品味这些明亮的X射线以及制造它们所需的大量机器、物流和人员……哪怕只是飞秒。
