Il Regno Unito dà il via al lavoro di progettazione di un laser a elettroni liberi a raggi X

Il Regno Unito ha ufficialmente lanciato l'inizio del lavoro di progettazione per una struttura laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL) di nuova generazione. Oltre 150 ricercatori si sono incontrati al Royal Society lunedì per discutere i piani per il XFEL con sede nel Regno Unito che, se dato il via libera, potrebbe essere costruito nei prossimi decenni. I ricercatori terranno ora una serie di incontri in tutto il Regno Unito per valutare l'interesse per una struttura e discutere che tipo di scienza potrebbe produrre.

Mentre i sincrotroni usano i raggi X per produrre immagini statiche, o istantanee, di un campione in esame, gli XFEL possono studiare i processi dinamici perché generano impulsi di fasci di raggi X intensi e coerenti decine di migliaia di volte al secondo (vedi riquadro sotto). Ogni impulso dura meno di 100 fs (10^-13 s), il che significa che i ricercatori possono, ad esempio, creare “filmati” di processi di legame chimico o analizzare il modo in cui l’energia vibrazionale scorre attraverso un materiale.

Gli XFEL non sono nuovi, con la prima struttura di questo tipo ad essere online Sorgente luminosa coerente Linac (LCLS) presso lo SLAC National Accelerator Laboratory negli Stati Uniti. La costruzione è iniziata nel 2005 ed è stata completata quattro anni dopo. La struttura sta ora subendo un importante aggiornamento, noto come LCL II – che comporterà l'aumento del numero di impulsi di raggi X al secondo da 120 in LCLS a un milione in LCLS II.

Altri XFEL furono presto aperti in Giappone, Germania, Corea del Sud e Svizzera, il che significa che ora ci sono cinque strutture di questo tipo in tutto il mondo. Nel 2008, anche il Regno Unito ha iniziato a considerare la possibilità di ospitare un XFEL dedicato, ma i piani non hanno avuto successo. Il Regno Unito ha invece scelto di aderire Laser europeo a elettroni liberi a raggi X (XFEL europeo) presso il laboratorio DESY vicino ad Amburgo, in Germania.

L’XFEL europeo, che ha raggiunto la prima luce nel 2017, è dotato di un acceleratore lineare superconduttore di 2.1 km in grado di accelerare gli elettroni fino a 17.5 GeV. L'impianto produce impulsi di raggi X 27 volte al secondo, ciascuno dei quali dura meno di 000 fs. Nel 100 sono stati pubblicati più di 2022 articoli basati su esperimenti eseguiti presso la struttura.

Il Regno Unito è stato inizialmente coinvolto nell'XFEL europeo sviluppando tecnologia, progettando strumenti, contribuendo alla costruzione e unendosi a consorzi di utenti. Quello del Regno Unito Sorgente luminosa diamante nell'Oxfordshire ospita anche due “Mozzi XFEL” – nelle scienze fisiche e della vita – dove gli utenti britannici dell'XFEL europeo ricevono supporto in termini di formazione, preparazione dei campioni ed elaborazione dei dati.

Nel 2018, il Regno Unito è quindi diventato il 12° paese ad aderire all’XFEL europeo, contribuendo con circa 26 milioni di euro – ovvero il 2% – al costo di costruzione dell’impianto da 1.22 miliardi di euro (prezzi equivalenti al 2005). Anche il Regno Unito ha iniziato a pagare il 2% dei costi operativi annuali della struttura, anche se tale cifra è ora salita al 7% poiché il Regno Unito è coinvolto in una percentuale simile di esperimenti.

I costi operativi di una struttura XFEL possono essere significativi. L'XFEL europeo, ad esempio, ha un costo di gestione annuale di 140 milioni di euro, il che significa che i 100 esperimenti condotti presso la struttura l'anno scorso sono costati ciascuno circa 1.4 milioni di euro. Ma con l'XFEL europeo cinque volte più sottoscritto, c'è ancora capacità per più macchine e nel 2015 il Regno Unito ha iniziato a riesaminare il caso per il proprio XFEL.

Costruisci il tuo

Come risultato della crescente domanda di XFEL, Consiglio per le strutture scientifiche e tecnologiche (STFC) – una delle nove agenzie di finanziamento della ricerca nel Regno Unito – ha condotto una revisione strategica del laser a elettroni liberi, che è stato completato nel 2016. La revisione ha concluso che il Regno Unito dovrebbe assicurarsi di essere "in grado di prendere la decisione finale sull'opportunità di costruire un XFEL" entro il 2020.

Il Regno Unito non ha rispettato tale scadenza, ma quell'anno ha pubblicato un caso scientifico XFEL nel Regno Unito. Più di 100 scienziati di tutto il mondo hanno contribuito alla stesura del rapporto, che raccomandava al Regno Unito di costruire una macchina in grado di produrre raggi X con un'energia compresa tra 0.1 keV e 150 keV e una durata dell'impulso da 100 attosecondi a 1 fs, consentendo nuove regimi da esplorare.

L'aspetto degli XFEL negli anni 2030 o 2040 potrebbe essere molto diverso da come appaiono oggi

Mike Dunn

Nell'ottobre 2022, la proposta XFEL del Regno Unito è stata incrementata di 3.2 milioni di sterline da Ricerca e innovazione nel Regno Unito – l’organizzazione ombrello dei nove consigli di ricerca del Regno Unito – per effettuare una revisione della progettazione concettuale. Si prevede che il suo completamento richiederà circa tre anni e comporterà anche l'aggiornamento del caso scientifico. Secondo il fisico Ian Walmsley, rettore dell'Imperial College di Londra, la revisione è un “passo importante” per il progetto.

Durante l'evento presso la Royal Society, gli scienziati hanno delineato gli aspetti su cui potrebbe indagare una nuova struttura. Ciò include materiali quantistici, biologia strutturale dinamica e persino, come fisico e utente XFEL Emma McBride della Queen's University di Belfast, ottenendo una migliore comprensione delle condizioni all'interno dei pianeti.

Davide Dunning, un fisico dell'Accelerator Science and Technology Center (ASTeC) presso il Daresbury Laboratory, osserva che un XFEL britannico che utilizza un acceleratore lineare superconduttore da 8 GeV "coprirebbe gran parte della base scientifica" emersa dal sondaggio tra i potenziali utenti. Ma questo fabbisogno energetico verrà ora analizzato più in dettaglio durante la revisione della progettazione concettuale.

L'impegno della comunità

Un sondaggio di gruppi di ricerca nel Regno Unito, condotto nell'ambito del caso scientifico XFEL nel Regno Unito, ha indicato che oltre 500 scienziati britannici hanno avuto un coinvolgimento attivo nella scienza XFEL nell'ultimo decennio. Ma Jon Marangos dell'Imperial College di Londra, che è il responsabile scientifico di XFEL nel Regno Unito, afferma che nei prossimi anni sarà fondamentale ampliare l'impegno della comunità scientifica per assicurarsi che la scienza XFEL non si trasformi in una cricca di utenti.

Nell'ambito della revisione del progetto concettuale, una serie di eventi e workshop in stile “municipio” si terranno ora in tutto il paese. L'UKRI spera che questi incontri riuniscano la comunità e permettano di spiegare agli scienziati cosa possono fare queste macchine. Si prevede che si svolgerà un evento ogni tre mesi fino alla fine del 2024.

Un tema chiave emerso all’incontro della Royal Society è stata la necessità per il Regno Unito di pensare il prima possibile al processo di regolamentazione necessario, dato che probabilmente un XFEL britannico dovrà essere costruito, almeno in parte, in un’area verde. Jim Clarke dell'ASTeC ha evidenziato che anche la sostenibilità sarà una parte fondamentale del design. Ciò potrebbe includere, ad esempio, l'utilizzo di superconduttori per cavità a radiofrequenza che possono funzionare efficacemente a temperature superiori a 2 K.

I funzionari presenti all'evento di Londra hanno voluto riconoscere che il requisito principale per un XFEL nel Regno Unito è che abbia capacità attualmente non possibili altrove. Questa opinione è sostenuta dal direttore della LCLS Mike Dunn che ha detto ai delegati che l’innovazione sarà fondamentale nella progettazione di una struttura di prossima generazione. "L'aspetto degli XFEL negli anni '2030 o '2040 potrebbe essere molto diverso da come appaiono oggi", afferma.

Stiamo solo iniziando a scalfire la superficie di ciò che queste macchine possono fare

Emma McBride

La decisione di iniziare a lavorare su una revisione della progettazione concettuale, tuttavia, non significa che verrà costruito un XFEL nel Regno Unito. Come hanno chiarito i relatori dell’incontro della Royal Society, si potrebbe concludere che la macchina è troppo costosa e che un’opzione migliore sarebbe quella di sostenere gli sviluppi e approfondire i legami in un’altra struttura.

Ma se un'opzione con sede nel Regno Unito è ritenuta la migliore scommessa e ci sono finanziamenti disponibili, il passo successivo sarebbe un progetto ingegneristico sul progetto preferito. Anche se gli utenti potrebbero dover attendere diversi decenni per iniziare gli esperimenti su un XFEL del Regno Unito, la macchina potrebbe offrire molto alla scienza. "Stiamo solo iniziando a scalfire la superficie di ciò che queste macchine possono fare", osserva McBride.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/uk-kicks-off-design-work-for-an-x-ray-free-electron-laser/