Можем ли мы сделать коллайдер более энергоэффективным
С момента открытия бозона Хиггса в 2012 году физики хотели построить новые коллайдеры частиц, чтобы лучше понять свойства этой неуловимой частицы и исследовать физику элементарных частиц на все более высоких энергетических уровнях. Хитрость в том, что это требует энергии, причем очень большой. Для работы типичного коллайдера требуются сотни мегаватт — что эквивалентно десяткам миллионов современных лампочек. Не говоря уже об энергии, необходимой для создания устройств, и все это сводится к одному: много углекислого газа и других парниковых газов. Теперь исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики и Стэнфордского университета продумали, как сделать одно предложение — Холодный медный коллайдер (C3) — более энергоэффективным. Чтобы понять, как это сделать, они рассмотрели три ключевых аспекта, которые применимы к любой конструкции ускорителя: как ученые будут управлять коллайдером, как вообще строится сам коллайдер и даже где строится коллайдер – что, как оказывается, имеет значительное, хотя и косвенное, влияние на общий углеродный след проекта.
«При обсуждении большой науки теперь обязательно думать не только с точки зрения финансовых затрат, но и воздействия на окружающую среду», — сказала Катерина Верньери, доцент SLAC и один из соавторов новой статьи, опубликованной в PRX Energy. Эмилио Нанни, доцент SLAC и еще один соавтор, согласился. «Как учёные, мы все надеемся вдохновить общественность и будущие поколения не только своими открытиями, но и своими действиями», — сказал Нанни. «Это требует, чтобы мы учитывали как потенциальное научное воздействие, так и общее влияние на наше сообщество». По его словам, повышение устойчивости объектов поможет достичь обеих целей. C3 — одно из множества различных предложений по ускорителю следующего поколения, способному исследовать бозон Хиггса и выше, хотя все они следуют одной из двух основных конструкций: линейные ускорители, такие как C3 и предлагаемый Международный линейный коллайдер, и синхротроны или будущие круговые ускорители, такие как Будущий кольцевой коллайдер или Круговой электрон-позитронный коллайдер.
У каждого есть свои преимущества и недостатки. Примечательно, что синхротроны могут рециркулировать пучки частиц, то есть собирать данные по множеству циклов. Однако они достигли предела, поскольку заряженные частицы, такие как протоны и электроны, теряют энергию, когда их траектории изгибаются в круг, что приводит к увеличению энергопотребления. Линейные ускорители не имеют проблемы потерь энергии, что позволяет им достигать более высоких энергий и открывают возможности для новых измерений, но они используют луч только один раз, и для достижения более высоких скоростей передачи данных им приходится работать с интенсивными пучками. C3 призван решить проблему ограничений длины и энергии большинства линейных ускорителей с помощью новой конструкции, включая более точно адаптированные электромагнитные поля, подаваемые в ускоритель в большем количестве точек, а также новую систему криогенного охлаждения. Проект также направлен на использование большего количества взаимозаменяемых деталей и такого подхода к конструкции, который может значительно снизить затраты, что в конечном итоге приведет к созданию относительно недорогого и небольшого коллайдера длиной всего около пяти миль, который, тем не менее, сможет исследовать крайние границы физики элементарных частиц.
Тем не менее, предлагаемый коллайдер C3 потребует много ресурсов для создания и эксплуатации, поэтому его сторонники решили растущую проблему, приняв во внимание углеродный след крупных физических проектов, начиная с того, как они будут управлять самим ускорителем. Исторически физики не обращали особого внимания на то, как работают ускорители, по крайней мере, с точки зрения энергоэффективности. Однако команда SLAC и Стэнфорда обнаружила, что небольшие изменения, такие как изменение структуры пучка частиц и улучшение работы клистронов, которые создают электромагнитные поля, управляющие лучом, могут изменить ситуацию. В совокупности эти улучшения могут сократить потребность C3 в электроэнергии примерно со 150 мегаватт до, возможно, 77 мегаватт, или почти вдвое. «Я был бы рад 50% этой суммы», — сказал Верньери.
С другой стороны, как обнаружила команда, само строительство, скорее всего, будет нести основную часть углеродного следа C3, особенно по мере того, как мир переходит к использованию большего количества возобновляемых источников энергии. Исследователи предполагают, что использование различных материалов, таких как различные формы бетона, а также учет того, как материалы производятся и транспортируются, могут помочь снизить воздействие глобального потепления. C3 также значительно меньше, чем другие предложения по ускорителю – всего восемь километров в длину – что позволит сократить общее использование материалов и позволит строителям выбирать площадки, которые могут упростить и ускорить строительство. Исследователи также рассмотрели, где будет расположен проект C3, поскольку это может повлиять на соотношение ископаемого топлива и возобновляемых источников энергии, которые питают коллайдер, или потенциально построить специальную солнечную ферму, которая вместе с системой хранения энергии будет обеспечивать покрытие ускорителя. потребности.
Как устроены коллайдеры
Наконец, команда SLAC-Стэнфорд рассмотрела, как C3 может сравниться с другими будущими предложениями коллайдеров, а также как сравниваются линейные и круговые коллайдеры, когда каждый коллайдер выполняет аналогичные измерения. Основываясь на своем анализе и аналогичных исследованиях устойчивости для других ускорителей, команда обнаружила, что строительство, вероятно, будет основным фактором углеродного следа проекта, но что круговые коллайдеры, способные решать аналогичные физические задачи, обычно будут иметь более высокие выбросы, связанные со строительством. Аналогичным образом, более короткие ускорители, такие как C3 и другое предложение, Компактный линейный коллайдер, будут иметь меньший потенциал глобального потепления по сравнению с более длинными. «Это новая область», — сказал Верньери об изучении устойчивости физических проектов, но она необходима. «Существует совершенно новая дискуссия, по крайней мере, ставящая вопрос об углеродном следе физики элементарных частиц».
