自从 2012 年发现希格斯玻色子以来，物理学家们一直想建造新的粒子对撞机，以便更好地了解这种难以捉摸的粒子的性质，并在更高的能量尺度上探测基本粒子物理学。

诀窍是，这样做需要能量，而且需要大量的能量。一台典型的对撞机需要数百兆瓦的电力(相当于数千万个现代灯泡)才能运行。这还不包括建造这些装置所需的能量，所有这些加起来就变成了一件事：大量的二氧化碳和其他温室气体。

现在，来自美国能源部 SLAC 国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员已经考虑了如何使一个提议(即冷铜对撞机 (C3))更节能。

为了了解如何做到这一点，他们考虑了适用于任何加速器设计的三个关键方面：科学家将如何操作对撞机，对撞机本身是如何建造的，甚至对撞机建在哪里，事实证明，这对该项目的环境足迹产生了重大影响，尽管是间接的。

SLAC 的助理教授、这篇发表在《PRX 能源》杂志上的新论文的合著者之一卡特琳娜·韦尔尼里 (Caterina Vernieri) 说：“在讨论大型科学时，现在必须考虑的不仅是财务成本，还有环境影响。”

SLAC 的助理教授、另一位合著者埃米利奥·南尼 (Emilio Nanni) 表示同意。“作为科学家，我们都希望通过我们的发现，也通过我们的行动，来激励公众和后代，”南尼说。“这就要求我们既要考虑潜在的科学影响，也要考虑对我们社区的整体影响。”他说，使设施更可持续将有助于实现这两个目标。

多种选择

C3 是下一代加速器的众多不同提案之一，能够探测希格斯粒子及其以外的粒子，尽管它们都遵循两种基本设计之一：直线加速器，如 C3 和拟议的国际直线对撞机，以及同步加速器或未来的环形加速器，如未来环形对撞机或环形电子正电子对撞机。

每种设计都有其各自的优缺点。值得注意的是，同步加速器可以重新循环粒子束，这意味着它们可以在许多回路中收集数据。然而，它们会达到一个极限，因为当带电粒子(如质子和电子)的路径被弯曲成一个圆圈时，它们会损失能量，从而增加功耗。直线加速器不存在能量损失的问题，这使它们能够达到更高的能量并开辟新的测量可能性，但它们只使用一次光束，为了达到更高的数据速率，它们需要使用强烈的光束。

C3 旨在通过一种新的设计来解决大多数直线加速器的长度与能量的限制，包括在更多点向加速器输入更精确的定制电磁场，以及一个新的低温冷却系统。该项目还旨在使用更多可互换的部件和一种可以大幅降低成本的建造方法，最终实现一个相对低成本的小型对撞机(长度只有大约五英里)，但它仍然可以探测粒子物理学的前沿。

使大型物理学更可持续

尽管如此，拟议中的 C3 对撞机在建造和运行方面将需要大量的资源，因此其支持者通过考虑大型物理项目的环境足迹来解决日益增长的担忧，从他们将如何操作加速器本身开始。

从历史上看，物理学家并没有过多地关注他们是如何操作加速器的，至少在能源效率方面是这样。然而，SLAC 和斯坦福大学的团队发现，一些细微的变化，比如改变粒子束的结构，以及改进回旋加速管(产生驱动光束的电磁场)的操作，就能有所作为。总的来说，这些改进可以将 C3 的电力需求从大约 150 兆瓦减少到大约 77 兆瓦，几乎减少一半。“我对此很满意，”韦尔尼里说。

另一方面，研究小组发现，建造本身很可能对 C3 的碳足迹负主要责任，特别是随着世界转向使用更多可再生能源。研究人员建议，使用不同的材料，如不同形式的混凝土，以及注意材料的制造和运输方式，可以帮助降低全球变暖的影响。C3 也明显小于其他加速器提案(只有八公里长)，这将减少材料的总体使用，并允许建造者选择可以简化和加快施工的场地。

研究人员还考虑了 C3 项目的选址，因为这可能会影响为对撞机提供动力的化石燃料与可再生能源的组合，或者可能建造一个专门的太阳能农场，该农场将与一个储能系统一起满足加速器的需求。

对撞机如何堆最后，SLAC-斯坦福团队研究了 C3 与其他未来对撞机提案相比可能如何，以及当每个对撞机进行类似的测量时，直线对撞机和环形对撞机相比如何。

根据他们的分析以及对其他加速器的类似可持续性研究，该团队发现，建造很可能是项目碳足迹的主要驱动力，但能够实现类似物理目标的环形对撞机在建造方面通常会产生更高的排放量。同样，像 C3 和另一个提议的紧凑型直线对撞机这样的较短加速器，与较长的加速器相比，全球变暖的可能性会更小。

韦尔尼里说：“作为一门学科，这还是个新鲜事物”，但它是必要的。“至少，现在有一个全新的讨论提出了粒子物理学的碳足迹问题。”

本文译自 phys.org，由 BALI 编辑发布。

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