加利福尼亚州门洛帕克地下的一条半英里长的隧道刚刚变得比宇宙的大部分地区都要冷。

LCLS-II 加速器，其温度已达到绝对零以上 2 K。 （图片来源：Greg Stewart/SLAC 国家加速器实验室）

在地球上将电子撞击在一起的粒子加速器已经达到比外太空更低的温度。

使用能源部 SLAC 国家加速器实验室的 X 射线自由电子激光器  —  直线加速器相干光源 (LCLS) 升级项目的一部分，称为 LCLS II   — 科学家将液氦冷却至负 456 华氏度（负 271摄氏度），或 2 开尔文。这仅比绝对零高 2 开尔文，这是所有粒子运动停止的最冷温度。这种寒冷的环境对加速器至关重要，因为在如此低的温度下，机器会变得超导，这意味着它可以通过它来提升电子，而能量损失几乎为零。

即使是空旷的空间区域也没有这么冷，因为它们仍然充满了宇宙微波背景辐射，这是大爆炸后不久的残余物，其均匀温度为负 454 F（负 271 C）或 3 K。

“LCLS-II X 射线自由电子激光器的下一代超导加速器已经达到了比绝对零高 2 度的工作温度，”SLAC 加速器理事会主任安德鲁·伯里尔说。

他补充说，LCLS-II 现在已准备好开始以每秒 100 万个脉冲的速度加速电子，这是一项世界纪录。

“这比它的前身 LCLS 每秒多出四个数量级的脉冲，这意味着  —  在短短几个小时内  —  我们将向 [旨在在实验中使用它们的] 用户发送比 LCLS 更多的 X 射线过去 10 年，”伯里尔说。

这是 LCLS-II 需要实现的最后一个里程碑之一，它才能继续产生平均比其前身创造的 X 射线脉冲亮 10,000 倍的 X 射线脉冲。这应该有助于研究人员以前所未有的细节探索复杂材料。高强度、高频激光脉冲使研究人员能够以前所未有的清晰度看到材料中的电子和原子如何相互作用。这将有许多应用，从帮助揭示“天然和人造分子系统如何将阳光转化为燃料，以及如何控制这些过程，到了解能够实现量子计算的材料的基本特性，”Burill 说.

微波被泵送通过冷却的空腔，将电子加速到接近光速。 （图片来源：Greg Stewart/SLAC 国家加速器实验室）

在加速器内创造寒冷的气候需要一些工作。例如，为了防止氦气沸腾，该团队需要超低压力。

SLAC 低温部门主任 Eric Fauve 告诉 Live Science，在海平面上，纯水的沸点为 212 F（100 C），但这个沸点随压力而变化。例如，在高压锅中，压力较高，水在 250 F (121C) 时沸腾，而在海拔高度则相反，压力较低，水在较低温度下沸腾

“对于氦来说，情况非常相似。然而，在大气压下，氦会在 4.2 开尔文沸腾；如果压力降低，这个温度会降低，”Fauve 说。 “要将温度降低到 2.0 开尔文，我们需要的压力仅为大气压的 1/30。”

为了实现这些低压，该团队使用了五个低温离心压缩机，它们压缩氦气使其冷却，然后让它在一个腔室中膨胀以降低压力，使其成为地球上少数几个可以生产 2.0 K 氦气的地方之一大范围上。

Fauve 解释说，每个冷压缩机都是配备转子/叶轮的离心机，类似于发动机涡轮压缩机的转子/叶轮。

“在旋转时，叶轮加速氦分子，在轮子的中心产生真空，分子被吸入，在轮子的外围产生压力，分子喷射出来，”他说。

动画显示直线加速器加速器低温装置将氦气冷却至液相。 （图片来源：Greg Stewart/SLAC 国家加速器实验室）

压缩迫使氦呈现液态，但氦逃逸到这个真空中，在那里它迅速膨胀，同时冷却。

除了其最终应用之外，LCLS-II 产生的超冷氢本身就是一种科学奇观。

“在 2.0 开尔文氦变成超流体，称为氦 II，具有非凡的特性，”Fauve 说。 他补充说，例如，它的导热效率是铜的数百倍，而且它的粘度或流动阻力如此之低，以至于无法测量。

对于 LCLS-II，2 开尔文与预期的温度一样低。

“通过非常专业的冷却系统可以实现更低的温度，该系统可以达到绝对零以上几分之一度，所有运动都停止，”伯里尔说。

但他说，这种特殊的激光没有能力达到那些极端。