Uma ilustração de um feixe de elétrons viajando através de uma cavidade de nióbio, um componente chave do laser de raios X LCLS-II do SLAC
Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC
A Galeria Klystron, um corredor de concreto repleto de cilindros de metal espaçados uniformemente, é longo o suficiente para ultrapassar minha linha de visão. Mas enquanto estou dentro dele, sei que algo ainda mais espetacular se esconde sob meus pés.
Abaixo da Galeria Klystron há um gigantesco tubo de metal que se estende por 3,2 quilômetros: a Linac Coherent Light Source II (LCLS-II). Esta máquina, localizada no Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC, na Califórnia, gera pulsos de raios X mais potentes do que aqueles produzidos em qualquer outra instalação do mundo, e estou visitando-a porque recentemente quebrou um de seus próprios recordes. Em breve, porém, seus componentes mais poderosos serão desligados para uma atualização. Assim que for ligado novamente, possivelmente já em 2027, os seus raios X terão mais do dobro da energia.
“Será como passar de um brilho para uma lâmpada”, diz James Cryan no SLAC.
Descrever o LCLS-II como um mero brilho é um grande eufemismo. Em 2024, produziu o pulso de raios X mais poderoso já registrado. Durou apenas 440 bilionésimos de bilionésimo de segundo, mas transportou quase um terawatt de energia, o que ultrapassa em muito a produção média anual de uma usina nuclear. Além do mais, em 2025, o LCLS-II gerou 93.000 pulsos de raios X em um segundo – um recorde para um laser de raios X.
Cryan diz que este último registro abre caminho para que os pesquisadores obtenham uma visão sem precedentes do comportamento das partículas dentro das moléculas depois de absorverem energia. É comparável a transformar um filme em preto e branco de seu comportamento em um filme mais nítido e repleto de cores. Entre esta conquista e a próxima atualização, o LCLS-II tem uma chance de melhorar radicalmente a nossa compreensão do comportamento subatômico de sistemas sensíveis à luz, sejam eles plantas fotossintetizantesou candidatos a melhores células solares.
O LCLS-II consegue tudo isso acelerando os elétrons até que eles se aproximem da velocidade da luz – o limite máximo da velocidade cósmica. Os dispositivos cilíndricos que vi, que são os clístrons que dão nome à Galeria Klystron, são responsáveis por produzir as microondas que atingem essa aceleração. Uma vez suficientemente rápidos, os elétrons passam através de fileiras de milhares de ímãs cujos pólos são cuidadosamente dispostos para fazer os elétrons em alta velocidade se mexerem. Isso, por sua vez, produz pulsos de raios X. Assim como os raios X médicos, esses pulsos podem ser usados para gerar imagens do interior dos materiais.
No dia da minha visita, visito uma das diversas salas experimentais onde os raios X completam sua jornada colidindo com moléculas. Espio algumas das câmaras onde uma molécula e um raio X se encontram. Eles parecem saídos de um submarino futurista: grossos cilindros de metal com janelas de vidro redondas, todos cuidadosamente aparafusados para não deixar entrar moléculas de ar perdidas que possam interferir no experimento.
Cryan e seus colegas realizaram um experimento na noite anterior à minha visita, investigando o movimento dos prótons dentro das moléculas. Outros métodos de imagem além dos raios X lutam para determinar com precisão como os prótons se movem, mas detalhes precisos do processo são importantes para o desenvolvimento das células solares, diz ele.
O que acontecerá com essas investigações quando o LCLS-II concluir a sua atualização de “Alta Energia” para se tornar LCLS-II-HE? A capacidade de estudar o comportamento de partículas e cargas dentro das moléculas aumentará significativamente, diz Cryan. Chegar lá, porém, não será tarefa fácil.
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Prepare-se para se surpreender com o CERN, o centro europeu de física de partículas, onde os pesquisadores operam o famoso Grande Colisor de Hádrons, situado perto da encantadora cidade suíça de Genebra, às margens do lago.
John Schmerge do SLAC diz que quanto mais energético o feixe de elétrons se torna, mais a equipe deve se preocupar com o desvio de apenas algumas partículas. Ele diz que uma vez viu um feixe mal controlado abrir um buraco em um instrumento em uma instalação diferente, então há pouco espaço para erros. SLACs Yuantao Ding diz que todas as novas peças que a equipe instalará durante a atualização foram projetadas para suportar a nova e maior potência da instalação, mas que será crucial aumentar a potência passo a passo e verificar se tudo está funcionando conforme planejado. “Estaremos ligando a trave e observando atentamente o que acontece”, diz ele.
Ele e seus colegas passarão a maior parte de 2026 fazendo um grande esforço de engenharia para colocar todas as peças no lugar, o que os preparará para esse processo incremental ao longo dos dois anos seguintes. Se tudo correr conforme o planeado, investigadores de todo o mundo poderão utilizar o LCLS-II-HE até 2030. As conversas entre investigadores que utilizam os raios X, como Cryan, e aqueles que os controlam, como Schmerge e Ding, também desempenharão um grande papel. “Em última análise, é uma grande ferramenta e as pessoas aprenderão como usá-la bem”, diz Schmerge. “Estaremos constantemente ajustando isso.”
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