交付給 SLAC 的低溫模塊，用于增強 X 射線束。Jacqueline Ramseyer Orrell/SLAC 國家加速器實驗室
物理世界正在圍繞歐洲核子研究中心的大型強子對撞機進行集結，經過長時間的升級和長達數年的停頓后，它現在上線了。但這并不是唯一真正接收新能量的科學機器。近 6,000 英里外，在地球的另一端，另一座正在進行最后的潤色。
位于舊金山南部的 SLAC 國家加速器實驗室擁有一個名為 LCLS 的大型激光器，科學家可以使用 X 射線來觀察分子。“考慮像 LCLS 這樣的設施的方式實際上是超分辨率顯微鏡，”該設施的主管Mike Dunne說。
現在，LCLS 剛剛完成了一項名為 LCLS-II 的重大升級，該升級使激光下降到僅比絕對零高幾度。
賦予粒子加速器新的生命
半個世紀前，SLAC 的隧道安裝了一個粒子加速器。雖然今天大多數粒子加速器都讓他們的獵物繞著圈子旋轉，但這個加速器是完全筆直的。為了使電子達到粉碎的速度，它必須超過 2 英里長。在它開放后的幾十年里，它是“世界上最長的建筑”。(這條隧道非常獨特，一條數英里長的直線刻在山麓上，飛行員用它來尋路。)
當它在 1966 年上線時，這個所謂的斯坦福直線加速器是一個工程奇跡。在接下來的幾十年里，在那里進行的粒子物理學研究獲得了不少于三項諾貝爾物理學獎。但到了 21 世紀，它已成為某種遺跡，被歐洲核子研究中心和其他地方的其他加速器超越，這些加速器可以粉碎更高能量的粒子，看到斯坦福看不到的東西。
但那座 2 英里長的建筑仍然存在，2009 年，SLAC 為其配備了一臺新機器：直線加速器相干光源 (LCLS)。
LCLS 是稱為 X 射線自由電子激光器 (XFEL) 的設備的一個示例。雖然它是激光，但它與激發小貓的小型手持激光筆沒有太多共同之處。那些使用二極管等電子元件產生激光束。
另一方面，XFEL 與粒子加速器的共同點要多得多。事實上，這是激光的第一階段，將電子束加速到非常接近光速。然后，這些電子通過一圈磁鐵，迫使它們以之字形快速折返。在此過程中，電子以 X 射線的形式將其巨大的能量向前發射。
電子槍是光束的來源。Marilyn Chung/伯克利實驗室 通過 SLAC
這樣做可以產生從微波到紫外線到可見光的各種電磁波。但科學家更喜歡使用 X 射線。這是因為 X 射線的波長約為原子大小，當聚焦在強大的光束中時，科學家們可以窺探分子內部。
[相關：科學家們將 X 因子放回 X 射線中]
LCLS 與世界上大多數其他 X 射線源不同。加州光束就像閃光燈一樣工作。“每次閃光都會捕捉到該分子在特定狀態下的運動，”鄧恩說。
LCLS 最初每秒可以拍攝 100 次閃光。這讓科學家們可以制作一部關于化學反應發生的電影。他們可以觀察原子之間的鍵形成和斷裂，并觀察新的分子。它可能很快就能制作幀速率快數千倍的電影。
冷卻激光
在其第一次迭代中，LCLS 使用銅結構來加速其電子。但是增加整臺機器的功率正在推動銅的極限。“銅只是拉動了過多的電流，所以它會熔化，就像你在保險絲盒中熔斷一根電線一樣，”鄧恩說。
有一種方法可以解決這個問題：稱為超導性的奇異量子效應。
當您將材料降低到某個臨界溫度以上時，它的電阻幾乎會下降到零。然后，您可以在功能上使電流無限期流動，而不會像熱量一樣向周圍環境損失能量。
LCLS 遠不是第一個使用這種技術的激光器。問題在于，達到這個溫度——通常只比絕對零高幾度——可不是件小事。
[相關：科學家從宇宙的最初時刻發現了一個轉瞬即逝的粒子]
“支持這些冷卻到極低溫度的低溫系統變得非常困難，”康奈爾大學的物理學家Georg Hoffstaetter說，他之前曾研究過這項技術。有些超導材料的工作溫度略低一些，但它們都不能在數百英尺長的空間中工作。
較小的設施可能會受到這一挑戰的困擾，但 SLAC 在結構的一端建造了一個倉庫大小的冰箱。它使用液氦將加速器冷卻到 -456°F。
超導還具有使裝置更節能的好處。大型物理設施因使用與小國一樣多的電力而臭名昭著。“在某種程度上，超導技術本身就是一種綠色技術，因為只有很少的加速器能量會轉化為熱量，”Hoffstaetter 說。
升級完成后，新的和改進的 LCLS-II 將不僅能夠提供每秒 100 個脈沖，而且可以提供多達 100 萬個脈沖。
如何處理每秒一百萬幀
鄧恩說，光束可以在三個主要領域推動科學發展。一方面，X 射線束可以幫助化學家弄清楚如何使用更少的材料使反應更快，這可能會導致更環保的工業過程或更高效的太陽能電池板。
另一方面，該工具可以幫助生物學家進行藥物發現等工作——研究藥物如何影響人體中難以通過其他方法研究的酶。
第三，光束可以幫助材料科學家更好地了解材料在極端條件下的行為，例如 X 射線彈幕。科學家們也可以用它來設計新的物質——比如更好的超導體來建造像這樣的未來物理機器。
容納 SLAC 的直線加速器相干光源 X 射線自由電子激光器的長達數英里的設施。SLAC國家加速器實驗室
當然，有一個問題。與對此類機器的任何重大升級一樣，物理學家需要學習如何使用他們的新工具。“你必須從頭開始學習如何做這門科學，”鄧恩說。“這不僅僅是你以前所做的……這是一個全新的領域。”
科學家需要解決的一個問題是如何處理激光產生的數據：每秒 1 TB。這已經是大型設施面臨的一個障礙，如果網絡和超級計算機跟不上，它可能會變得更加嚴重。
