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Un accélérateur de particules qui claque des électrons ensemble ici sur Terre a atteint des températures plus froides que celles de l’espace.
À l’aide de l’ Rayon X laser à électrons libres au ministère de l’Énergie Laboratoire national de l’accélérateur SLAC— dans le cadre d’un projet de mise à niveau de la source lumineuse cohérente Linac (LCLS), appelée LCLS II — les scientifiques ont réfrigéré l’hélium liquide à moins 456 degrés Fahrenheit (moins 271 degrés Celsius), soit 2 Kelvins. C’est juste 2 kelvins au-dessus du zéro absolu, la température la plus froide possible à laquelle tout mouvement de particules s’arrête. Cet environnement glacial est crucial pour l’accélérateur, car à des températures aussi basses, la machine devient supraconductrice, ce qui signifie qu’elle peut stimuler les électrons à travers elle avec une perte d’énergie à peu près nulle.
Même les régions vides de l’espace ne sont pas aussi froides, car elles sont encore remplies du rayonnement de fond diffus cosmologique, un vestige de peu de temps après le Big Bang qui a une température uniforme de moins 454 F (moins 271 C), ou 3 K.
« L’accélérateur supraconducteur de nouvelle génération du laser à rayons X à électrons libres LCLS-II a atteint sa température de fonctionnement de 2 degrés au-dessus du zéro absolu », a déclaré Andrew Burrill, directeur de la Direction des accélérateurs du SLAC, à WordsSideKick.com.
LCLS-II est maintenant prêt à commencer à accélérer les électrons à 1 million d’impulsions par seconde, ce qui est un record mondial, a-t-il ajouté.
« C’est quatre ordres de grandeur de plus d’impulsions par seconde que son prédécesseur, LCLS, ce qui signifie que – dans quelques heures seulement – nous aurons envoyé plus de rayons X aux utilisateurs. [who aim to utilize them in experiments] que LCLS l’a fait au cours des 10 dernières années », a déclaré Burrill.
C’est l’une des dernières étapes que LCLS-II doit franchir avant de pouvoir produire des impulsions de rayons X en moyenne 10 000 fois plus lumineuses que celles créées par son prédécesseur. Cela devrait aider les chercheurs à sonder des matériaux complexes avec des détails sans précédent. Les impulsions laser haute intensité et haute fréquence permettent aux chercheurs de voir comment les électrons et les atomes dans les matériaux interagissent avec une clarté sans précédent. Cela aura un certain nombre d’applications, allant de l’aide à révéler « comment les systèmes moléculaires naturels et artificiels convertissent la lumière du soleil en carburants, et donc comment contrôler ces processus, à la compréhension des propriétés fondamentales des matériaux qui permettront l’informatique quantique », a déclaré Burill.
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La création des climats de congélation à l’intérieur de l’accélérateur a demandé un certain travail. Pour empêcher l’hélium de bouillir, par exemple, l’équipe avait besoin de pressions très basses.
Eric Fauve, directeur de la division cryogénique du SLAC, a déclaré à Live Science qu’au niveau de la mer, l’eau pure bout à 212 F (100 C), mais cette température d’ébullition varie avec la pression. Par exemple, dans un autocuiseur, la pression est plus élevée et l’eau bout à 250 F (121 ° C), tandis que l’inverse est vrai en altitude, où la pression est plus faible et l’eau bout à une température plus basse.
« Pour l’hélium, c’est à peu près la même chose. Cependant, à la pression atmosphérique, l’hélium bouillira à 4,2 kelvins; cette température diminuera si la pression diminue », a déclaré Fauve. « Pour abaisser la température à 2,0 kelvins, nous devons avoir une pression de seulement 1/30 de la pression atmosphérique. »
Pour atteindre ces basses pressions, l’équipe utilise cinq compresseurs centrifuges cryogéniques, qui compriment l’hélium pour le refroidir, puis le laissent se dilater dans une chambre pour abaisser la pression, ce qui en fait l’un des rares endroits sur Terre où l’hélium 2,0 K peut être produit à grande échelle.
Fauve a expliqué que chaque compresseur à froid est une machine centrifuge équipée d’un rotor / roue similaire à celui d’un turbocompresseur moteur.
« En tournant, la roue accélère les molécules d’hélium en créant un vide au centre de la roue où les molécules sont aspirées, générant une pression à la périphérie de la roue où les molécules éjectées », a-t-il déclaré.
La compression force l’hélium à prendre son sta liquidemais l’hélium s’échappe dans ce vide, où il se dilate rapidement, se refroidissant au fur et à mesure.
En plus de ses applications ultimes, l’hydrogène ultra-froid créé à LCLS-II est une curiosité scientifique en soi.
« À 2,0 kelvins, l’hélium devient un superfluide, appelé hélium II, qui possède des propriétés extraordinaires », a déclaré Fauve. Par exemple, il conduit la chaleur des centaines de fois plus efficacement que le cuivre, et il a une viscosité si faible – ou résistance à l’écoulement – que cela ne peut pas être mesuré, a-t-il ajouté.
Pour LCLS-II, 2 kelvins est aussi bas que les températures devraient aller.
« Des températures plus basses peuvent être obtenues avec des systèmes de refroidissement très spécialisés qui peuvent atteindre une fraction de degré au-dessus du zéro absolu, où tout mouvement s’arrête », a déclaré Burrill.
Mais ce laser particulier n’a pas la capacité d’atteindre ces extrêmes, a-t-il déclaré.
Publié à l’origine sur Live Science.
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