自从 2012 年发现希格斯玻色子以来，物理学家一直希望建造新的粒子对撞机，以更好地了解这种难以捉摸的粒子的特性，并在更高的能量尺度上探测基本粒子物理。

诀窍是，这样做需要能量——大量的能量。典型的对撞机需要数百兆瓦(相当于数千万个现代灯泡)才能运行。更不用说制造这些设备所需的能源了，所有这些加起来就是一件事：大量的二氧化碳和其他温室气体。

现在，来自 SLAC 国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员正在思考如何提出一种 更节能的 方案，即冷铜对撞机 (C 3 )。

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：科学家如何操作对撞机、对撞机本身首先是如何建造的，甚至对撞机建造在哪里——结果证明有一个对项目的整体碳足迹产生重大(如果是间接的)影响。

SLAC 助理教授、这篇 新论文的合著者之一 Caterina Vernieri 表示：“在讨论大科学时，现在不仅要考虑财务成本，还要考虑环境影响。” PRX能源。

SLAC 助理教授兼另一位合著者埃米利奥·南尼 (Emilio Nanni) 对此表示同意。“作为科学家，我们都希望不仅通过我们的发现，而且通过我们的行动来激励公众和子孙后代，”南尼说。“这要求我们既考虑潜在的科学影响，又考虑对我们社区的整体影响。” 他说，使设施更具可持续性将有助于实现这两个目标。

多种选择

C 3 是能够探测希格斯粒子及其他粒子的下一代加速器的众多不同提案之一，尽管它们都遵循两种基本设计之一：线性加速器，例如 C 3 和拟议的国际直线对撞机， 以及同步加速器，或未来的圆形加速器，例如 未来圆形对撞机 或 圆形电子正电子对撞机。

每个都有其优点和缺点。值得注意的是，同步加速器可以重新循环粒子束，这意味着它们可以通过多个循环收集数据。然而，它们达到了极限，因为质子和电子等带电粒子在其路径弯曲成圆形时会损失能量，从而增加功耗。线性加速器不存在能量损失问题，使它们能够获得更高的能量，并为新的测量开辟了可能性，但它们仅使用光束一次，为了实现更高的数据速率，它们需要使用强光束。

C 3 旨在通过新设计解决大多数直线加速器的长度与能量限制，包括在更多点馈入加速器的更精确定制的电磁场以及新的低温冷却系统。该项目还旨在使用更多的可互换部件和可显着降低成本的构造方法，最终产生相对低成本的小型对撞机(短至约五英里)，但仍可以探索粒子物理学的极端前沿。

让大物理学变得更加可持续

尽管如此，拟议的 C 3 对撞机将需要大量资源来建造和运行，因此其支持者通过考虑主要物理项目的碳足迹来解决日益增长的担忧，首先是如何操作加速器本身。

从历史上看，物理学家并没有太关注加速器的操作方式，至少在能源效率方面是这样。然而，SLAC 和斯坦福大学团队发现，细微的变化，例如改变粒子束的结构和改进速调管的操作(产生驱动粒子束的电磁场)，可能会产生影响。总而言之，这些改进可以将 C 3的电力需求从大约 150 兆瓦减少到 77 兆瓦，或者几乎减少一半。“我很高兴能得到其中的 50%，”Vernieri 说。

另一方面，该团队发现，建筑本身可能是 C 3碳足迹的主要来源——尤其是在世界转向使用更多可再生能源的情况下。研究人员建议，使用不同的材料，例如不同形式的混凝土，以及关注材料的制造和运输方式，可能有助于降低全球变暖的影响。C 3 也比其他加速器提案小得多——只有 8 公里长——这将减少材料的总体使用，并允许建筑商选择可以简化和加快施工的地点。

研究人员还考虑了 C 3 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混合，或者可能建造一个专用的太阳能发电场，该发电场将与储能系统一起覆盖加速器的需求。

对撞机如何堆叠

最后，SLAC-斯坦福大学团队研究了当每个对撞机执行相似的测量时，C 3 与其他未来对撞机提案的比较，以及线性和圆形对撞机的比较。

根据他们的分析和对其他加速器的类似可持续性研究，该团队发现，建筑可能是项目碳足迹的主要驱动因素，但能够实现类似物理目标的圆形对撞机通常会产生与建筑相关的更高排放。同样，与较长的加速器相比，C 3等较短的加速器 和另一个提案紧凑型线性对撞机的全球变暖潜力较小。

“作为一个领域，这是一个非常新的领域，”韦尔涅里在谈到研究物理项目的可持续性时说道，但这是一个必要的项目。“有一个全新的讨论，至少提出了粒子物理学的碳足迹问题。”

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