Laser de raios-X pode examinar as menores partículas do Universo

Um grande passo em frente no estudo das partículas mais pequenas do Universo está prestes a ser dado, graças a uma atualização significativa do laser de raios X mais poderoso do mundo.

O Departamento de Energia dos EUA (DOE) aprovou a Linac Coherent Light Source (LCLS) aprimorada, um laser de raios X altamente poderoso que desempenha um papel crucial na pesquisa avançada. A máquina está localizada no Stanford Linear Acceleration Center (SLAC) – National Accelerator Laboratory, em Menlo Park, Califórnia.

O LCLS é usado por cientistas para explorar os blocos de construção fundamentais do Universo, como átomos, nanoestruturas e moléculas. Ao bombardear essas partículas com raios X intensos, os pesquisadores conseguem documentar processos atômicos e subatômicos essenciais para a compreensão do mundo físico. O laser é especialmente eficaz em áreas como ciências quânticas, energéticas e biológicas.

Este tipo específico, conhecido como laser de elétrons livres, gera luz em um espectro incrivelmente amplo. O LCLS é capaz de produzir feixes de luz extremamente brilhantes e intensos, muito superiores aos dos lasers convencionais. Seu funcionamento envolve a aceleração de elétrons quase à velocidade da luz, que são então direcionados por ímãs, chamados onduladores. Esses dispositivos forçam os elétrons a liberar fótons, resultando em um feixe de luz brilhante e altamente focado que ilumina as partículas que estão sendo estudadas.

Laser superpoderoso é capaz de disparar até um milhão de pulsos por segundo

Instalado originalmente em um túnel de 3,2 quilômetros que fazia parte de um acelerador de partículas construído na década de 1960, o LCLS passou por sua primeira grande atualização em 2023, com o projeto “LCLS-II”.

Essa melhoria aumentou drasticamente o brilho do laser, tornando-o até 10.000 vezes mais potente que sua versão anterior. Para efeito de comparação, o LCLS-II é um trilhão de vezes mais brilhante que os raios X hospitalares. Além disso, pode disparar até um milhão de pulsos por segundo, cada um com duração de femtossegundos – o tempo que a luz leva para viajar apenas 300 nanômetros.

Esta capacidade permite criar “filmes” de processos químicos em tempo real. Em 2015, por exemplo, o LCLS permitiu aos cientistas observar pela primeira vez a formação de ligações químicas. No ano passado, ele foi fundamental na visualização das etapas da fotossíntese. Estas observações são importantes para o desenvolvimento de novas tecnologias em áreas como reações químicas e energia solar.

Um dos principais avanços tecnológicos do LCLS-II é o uso de um novo acelerador supercondutor. Para funcionar, o acelerador exige que os elétrons sejam resfriados a temperaturas extremamente baixas, próximas do zero absoluto.

Isso é feito por meio de 37 módulos criogênicos, que reduzem as temperaturas para -271°C, mais frio que o espaço profundo. Esses crimódulos, alinhados em sequência, contêm cavidades supercondutoras de radiofrequência, responsáveis ​​por amplificar a potência do feixe de laser. O hélio super-resfriado dentro desses módulos é essencial para o bom funcionamento do sistema, garantindo que ele opere sem resistência elétrica ou geração excessiva de calor.

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Atualização deve ser concluída até 2030

A nova atualização, chamada “LCLS-II-HE”, promete dobrar a energia do laser, o que resultará em um aumento de brilho de 3.000 vezes. Para atingir este objetivo, será necessário adicionar 23 criomódulos extras para aumentar ainda mais a capacidade de refrigeração.

A SLAC está colaborando com diversas instituições de prestígio, como o Fermi National Acceleration Laboratory e a Michigan State University, para desenvolver os novos componentes necessários para esta melhoria.

Em um declaração Em declarações à imprensa, Mike Dunne, diretor do LCLS, declarou que esta atualização será revolucionária para a comunidade científica. Segundo ele, se a LCLS-II já oferecia uma espécie de “câmera de filme de alta qualidade” para captar imagens detalhadas de processos atômicos, a LCLS-II-HE aumentará essa capacidade, proporcionando ainda maior resolução e sensibilidade. “Isso permitirá aos cientistas estudar detalhadamente o movimento de materiais e sistemas químicos, bem como investigar complexos biológicos com maior precisão.”

Com um custo estimado de US$ 716 milhões (mais de R$ 4 bilhões), a atualização do LCLS deverá ser concluída até 2030, embora testes preliminares sejam esperados muito antes.

O potencial do LCLS é transformador, especialmente nas áreas de nanotecnologia e materiais energéticos renováveis. O SLAC espera que as descobertas obtidas com o uso do laser ajudem a melhorar as baterias e as tecnologias de energia limpa, bem como a avançar na criação de novos medicamentos.

Uma vez totalmente atualizado, o LCLS será capaz de produzir mais de um petabyte de dados por dia, o que poderá impulsionar modelos de aprendizagem automática e de inteligência artificial, abrindo novas fronteiras para a investigação científica.