Novo acelerador de partículas supercondutora atinge temperaturas mais frias que o espaço aqui na Terra - Nerd Ciência
Novo acelerador de partículas supercondutora atinge temperaturas mais frias que o espaço aqui na Terra
Um acelerador de partículas que colide elétrons aqui na Terra alcançou temperaturas mais frias do que as do espaço sideral.
Usando o Raio X laser de elétrons livres no Departamento de Energia Laboratório Nacional de Aceleração do SLAC– parte de um projeto de atualização para a Fonte de Luz Coerente Linac (LCLS), chamada LCLS II – os cientistas resfriaram o hélio líquido a menos 456 graus Fahrenheit (menos 271 graus Celsius), ou 2 kelvins. Isso é apenas 2 kelvins acima do zero absoluto, a temperatura mais fria possível na qual todo o movimento das partículas cessa. Esse ambiente gelado é crucial para o acelerador, porque em temperaturas tão baixas a máquina se torna supercondutora, o que significa que pode impulsionar elétrons através dele com perda de energia praticamente zero.
Mesmo regiões vazias do espaço não são tão frias, pois ainda estão cheias de radiação cósmica de fundo em micro-ondas, um remanescente de pouco depois da Grande explosão que tem uma temperatura uniforme de menos 454 F (menos 271 C), ou 3 K.
"O acelerador supercondutor de próxima geração do laser de elétrons livres de raios-X LCLS-II atingiu sua temperatura operacional de 2 graus acima do zero absoluto", disse Andrew Burrill, diretor do Accelerator Directorate do SLAC, à Live Science.
O LCLS-II está agora pronto para começar a acelerar elétrons a 1 milhão de pulsos por segundo, o que é um recorde mundial, acrescentou.
"Isso é quatro ordens de magnitude a mais de pulsos por segundo do que seu antecessor, LCLS, o que significa que – em apenas algumas horas – enviaremos mais raios-X aos usuários [who aim to utilize them in experiments] do que a LCLS fez nos últimos 10 anos", disse Burrill.
Este é um dos últimos marcos que o LCLS-II precisa alcançar antes de poder produzir pulsos de raios X que são, em média, 10.000 vezes mais brilhantes do que os criados por seu antecessor. Isso deve ajudar os pesquisadores a sondar materiais complexos em detalhes sem precedentes. Os pulsos de laser de alta intensidade e alta frequência permitem que os pesquisadores vejam como os elétrons e átomos nos materiais interagem com clareza sem precedentes. Isso terá várias aplicações, desde ajudar a revelar "como os sistemas moleculares naturais e artificiais convertem a luz solar em combustíveis e, portanto, como controlar esses processos, até entender as propriedades fundamentais dos materiais que permitirão a computação quântica", disse Burrill. .
As micro-ondas são bombeadas através das cavidades resfriadas, acelerando os elétrons para perto da velocidade da luz. (Crédito da imagem: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory)
Criar os climas congelantes dentro do acelerador deu algum trabalho. Para evitar que o hélio ferva, por exemplo, a equipe precisava de pressões superbaixas.
Eric Fauve, diretor da Divisão Criogênica do SLAC, disse à Live Science que ao nível do mar, a água pura ferve a 212 F (100 C), mas essa temperatura de ebulição varia com a pressão. Por exemplo, em uma panela de pressão, a pressão é mais alta e a água ferve a 250 F (121C), enquanto o inverso é verdadeiro em altitude, onde a pressão é menor e a água ferve a uma temperatura mais baixa
"Para o hélio, é praticamente o mesmo. À pressão atmosférica, o hélio ferverá a 4,2 kelvin, no entanto; essa temperatura diminuirá se a pressão diminuir", disse Fauve. "Para baixar a temperatura para 2,0 kelvin, precisamos ter uma pressão de apenas 1/30 da pressão atmosférica."
Para atingir essas baixas pressões, a equipe usa cinco compressores centrífugos criogênicos, que comprimem o hélio para resfriá-lo e depois o deixam expandir em uma câmara para diminuir a pressão, tornando-o um dos poucos lugares Terra onde 2,0 K hélio pode ser produzido em grande escala.
Fauve explicou que cada compressor frio é uma máquina centrífuga equipada com um rotor/impulsor semelhante ao de um turbocompressor de motor.
"Enquanto gira, o rotor acelera as moléculas de hélio criando um vácuo no centro da roda onde as moléculas são sugadas, gerando pressão na periferia da roda onde as moléculas são ejetadas", disse ele.
Uma animação mostra a crioplanta do acelerador linac resfriando o gás hélio até sua fase líquida. (Crédito da imagem: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory)
A compressão força o hélio a tomar seu estado líquido, mas o hélio escapa para este vácuo, onde se expande rapidamente, esfriando à medida que o faz.
Além de suas aplicações finais, o hidrogênio ultra-frio criado no LCLS-II é uma curiosidade científica em si.
"A 2,0 kelvin, o hélio se torna um superfluido, chamado hélio II, que tem propriedades extraordinárias", disse Fauve. Por exemplo, ele conduz o calor centenas de vezes mais eficientemente que o cobre e tem uma viscosidade tão baixa – ou resistência ao fluxo – que isso não pode ser medido, acrescentou.
Para LCLS-II, 2 kelvins é tão baixo quanto se espera que as temperaturas cheguem.
"Temperaturas mais baixas podem ser alcançadas com sistemas de refrigeração muito especializados que podem atingir uma fração de grau acima do zero absoluto, onde todo o movimento para", disse Burrill.
Mas esse laser em particular não tem a capacidade de atingir esses extremos, disse ele.
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