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希格斯玻色子的碳足迹是多少?

2022-11-10 11:06     来源:中国科学报     大型强子对撞机
欧洲核子研究中心(CERN)领导的一项分析指出,任何一台超级对撞机都将长达数公里,消耗的能源相当于一个中等城市,但不同设计产生的碳足迹也大不相同。

上个月发表在《欧洲物理杂志Plus》的一项研究发现,CERN提出的一台机器——位于瑞士日内瓦附近的未来环形对撞机(FCC),只需要使用其最耗能的竞争对手1/6的能量,就可以达到同样的物理目标。

长期支持建立FCC的作者说,考虑到CERN90%以上的电力来自无碳能源,如核能,FCC的碳足迹将仅为污染最严重的替代能源的1%。

CERN已经拥有世界上最强大的粒子加速器——大型强子对撞机(LHC)。2012年,LHC发现了希格斯玻色子,这种粒子与赋予物质质量的场有关,但LHC产生的希格斯玻色子很少。目前物理学家想要耗资数十亿美元打造“希格斯工厂”,用来专门生产这种粒子,并希望通过对它们的精确研究,发现令人兴奋的成果。

CERN的Patrick Janot和日内瓦大学的粒子物理学家Alain Blondel,利用已公布的5个主要“希格斯工厂”的设计细节,计算了每一个希格斯玻色子的能量消耗。除了FCC和中国提出的环形正负电子对撞机(CEPC)外,他们还研究了3个线性对撞机——日本计划已久的国际线性对撞机(ILC)、CERN的紧凑型线性对撞机(CLIC)和美国紧凑型加速器“冷铜对撞机”(C3)。

研究每一个希格斯玻色子的能量消耗是有意义的,Janot说,因为“科学研究的能力与产生的希格斯玻色子数量直接相关”。环形对撞机的年能量消耗与线性对撞机相似,但它产生希格斯玻色子的速度更快,因此可以在更短时间内达到相同的科学目标。

研究人员发现,每产生一个希格斯玻色子,FCC将消耗3兆瓦时的电力;CEPC紧随其后,每个玻色子的能量消耗为4.1兆瓦时;C3则因每个玻色子消耗能量18兆瓦时而垫底。

英国伦敦大学皇家霍洛威分院的粒子物理学家Veronique Boisvert说,在选择下一台加速器时,碳排放和成本一样重要。她补充说,作者的方法是估算这些排放量的第一步。但是,每一个设施的建造和退役所产生的碳排放,以及探测器产生的温室气体,都没有被纳入这项研究中,这最终可能和它们运行时的碳足迹一样重要。

未来,对撞机的碳足迹将是一个非常重要的问题。据《自然》杂志报道,中国科学院高能物理研究所所长王贻芳对此表示赞同。他说,这项研究的方法是合理的,但其使用的许多数据都是基于可能发生变化的假设。他补充说,与目前的估计相比,正在为CEPC改进技术的努力可以减少10%的能源消耗。

美国斯坦福大学粒子物理学家Caterina Vernieri说,C3背后的物理学家也在努力提高能源效率,并探索用可再生能源驱动运行的方法。

Boisvert说,事实上,许多潜在的东道国都计划在2050年或更早之前实现零碳电网。

Janot说,目前,运行一台对撞机的碳足迹通常比建造对撞机的碳足迹要大。他指出,当电力实现无碳排放时,与土木工程相关的排放量可能也会下降。如果算上建筑产生的排放,FCC每个希格斯玻色子的碳足迹大约会翻一番,但总排放量仍远低于线性加速器单独运行时的碳排放。

Janot说,在选择建造世界上下一台对撞机时考虑到环境问题有助于研究人员获得政府和公众的支持。

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