實驗粒子物理學的未來令人興奮，同時也是能源密集的。SLAC的物理學家們正在思考如何使一項提案–“冷銅對撞機”–更具可持續性。冷銅對撞機（Cool Copper Collider，C3）代表了向可持續粒子物理學的轉變，其設計可將能耗減半，其建造過程旨在減少對撞機項目的碳足跡。

自從2012 年發現希格斯玻色子以來，物理學家一直希望建造新的粒子對撞機，以便更好地了解這種難以捉摸的粒子的特性，並在更高的能量尺度上探測基本粒子物理學。

訣竅在於，這樣做需要能量–大量的能量。一台典型的對撞機需要數百兆瓦（相當於數千萬個現代燈泡）來運作。這還不包括建造這些設備所需的能源，所有這些加起來就會產生一件事：大量的二氧化碳和其他溫室氣體。

現在，來自美國能源部SLAC 國家加速器實驗室和史丹佛大學的研究人員已經想好瞭如何讓一個方案：更節能的冷銅對撞機（C3）。

為了了解如何做到這一點，他們考慮了適用於任何加速器設計的三個關鍵方面：科學家們將如何操作對撞機、對撞機本身首先是如何建造的，甚至是對撞機的建造地點- -這對專案的整體碳足跡有著重大的影響，即使是間接影響。

擬建的冷銅對撞機光束隧道剖面圖。資料來源：Emilio Nanni/SLAC 國家加速器實驗室

“在討論大科學時，現在必須不僅考慮財務成本，還要考慮環境影響，”SLAC 助理教授、新論文的共同作者之一Caterina Vernieri 說，該論文發表在PRX Energy 上。

該論文發表在《PRX Energy》。SLAC 助理教授、另一位合著者Emilio Nanni 對此表示贊同。”作為科學家，我們都希望不僅透過我們的發現，而且透過我們的行動來激勵公眾和後代，」Nanni 說。”這就要求我們既要考慮潛在的科學影響，也要考慮對我們社區的整體影響。讓設施更具可持續性將有助於實現這兩個目標。”

對撞機設計變化與環境影響

對於能夠探測希格斯粒子及其他粒子的下一代加速器，有許多不同的建議，C3 是其中之一，不過它們都遵循兩種基本設計之一：線性加速器，如C3 和擬議中的國際直線對撞機；同步加速器，或未來的環形加速器，如未來環形對撞機或環形電子正負電子對撞機。

它們各有利弊。值得注意的是，同步加速器可以重複循環粒子束，這意味著它們可以在多個循環中收集資料。不過，它們也有局限性，因為質子和電子等帶電粒子在路徑彎曲成圓形時會損失能量，從而增加功耗。直線加速器不存在能量損失問題，因此可以獲得更高的能量，為新的測量提供了可能，但它們只使用一次光束，要實現更高的數據傳輸率，它們需要使用高強度的光束。

C3 的目標是透過新的設計，包括在更多點向加速器輸入更精確的客製化電磁場以及新的低溫冷卻系統，來解決大多數直線加速器在長度與能量方面的限制。該專案還旨在使用更多可互換部件和可顯著降低成本的建造方法，最終製造出一個成本相對較低的小型對撞機–短至約五英里–但仍能探索粒子物理學的極端前沿。

讓大物理更具永續性

儘管如此，擬議中的C3 對撞機仍將耗費大量資源來建造和運行，因此其支持者從如何運行加速器本身入手，將大型物理項目的碳足跡納入考慮範圍，從而解決了人們日益關注的問題。

一直以來，物理學家都不太重視如何運作加速器，至少在能源效率方面。然而，SLAC 和史丹佛大學的研究小組發現，一些細微的變化，如改變粒子束的結構和改進產生驅動粒子束的電磁場的克利斯特倫的運作方式，都能帶來不同的效果。這些改進加在一起，可以將C3 的電力需求從大約150 兆瓦減少到77 兆瓦，或減少近一半。Vernieri說：”如果能減少50%，我就心滿意足了。”

另一方面，研究小組發現，建築本身可能是C3 碳足跡的主要來源，尤其是在全球轉向使用更多再生能源的情況下。研究人員建議，使用不同的材料，如不同形式的混凝土，以及注意材料的製造和運輸方式，可以幫助降低對全球暖化的影響。此外，C3的體積也比其他加速器方案小得多–只有8公里長，這將減少材料的整體使用量，並允許建築商選擇可以簡化和加快施工的地點。

研究人員也考慮了C3 專案的選址問題，因為這可能會影響為對撞機提供動力的化石燃料與再生能源的組合，或者可能會建造一個專門的太陽能發電場，與儲能係統一起滿足加速器的需求。

未來對撞機的可持續性比較

最後，SLAC-史丹佛團隊研究了C3 與其他未來對撞機方案的比較，以及線性對撞機和環形對撞機在進行類似測量時的比較。

根據他們的分析以及對其他加速器進行的類似永續發展研究，研究小組發現，建造可能是專案碳足跡的主要驅動因素，但能夠實現類似物理目標的環形對撞機通常會在建造過程中產生較高的排放量。同樣，較短的加速器，如C3和另一個提案–緊湊型直線對撞機，與較長的加速器相比，全球暖化的可能性較小。

“對於研究物理項目的可持續性，這是一個全新的領域，但也是一個必要的領域。至少有一個全新的討論提出了粒子物理學的碳足跡問題。”