实验粒子物理学的未来令人兴奋，同时也是能源密集型的。SLAC的物理学家们正在思考如何使一项提案--"冷铜对撞机"--更具可持续性。冷铜对撞机（Cool Copper Collider，C3）代表了向可持续粒子物理学的转变，其设计可将能耗减半，其建造过程旨在减少对撞机项目的碳足迹。
自从 2012 年发现希格斯玻色子以来，物理学家们一直希望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特性，并在更高的能量尺度上探测基本粒子物理学。
诀窍在于，这样做需要能量--大量的能量。一台典型的对撞机需要数百兆瓦（相当于数千万个现代灯泡）来运行。这还不算建造这些设备所需的能源，所有这些加起来就会产生一件事：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想好了如何让一个方案：更加节能的冷铜对撞机（C3）。
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：科学家们将如何操作对撞机、对撞机本身首先是如何建造的，甚至是对撞机的建造地点--这对项目的整体碳足迹有着重大的影响，即使是间接影响。
拟建的冷铜对撞机光束隧道剖面图。资料来源：Emilio Nanni/SLAC 国家加速器实验室
"在讨论大科学时，现在必须不仅考虑财务成本，还要考虑环境影响，"SLAC 助理教授、新论文的共同作者之一 Caterina Vernieri 说，该论文发表在 PRX Energy 上。
该论文发表在《PRX Energy》上。SLAC 助理教授、另一位合著者 Emilio Nanni 对此表示赞同。"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后代，"Nanni 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。让设施更具可持续性将有助于实现这两个目标。"
对撞机设计变化与环境影响
对于能够探测希格斯粒子及其他粒子的下一代加速器，有许多不同的建议，C3 是其中之一，不过它们都遵循两种基本设计之一：线性加速器，如 C3 和拟议中的国际直线对撞机；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负电子对撞机。
它们各有利弊。值得注意的是，同步加速器可以重复循环粒子束，这意味着它们可以在多个循环中收集数据。不过，它们也有局限性，因为质子和电子等带电粒子在路径弯曲成圆形时会损失能量，从而增加功耗。直线加速器不存在能量损失问题，因此可以获得更高的能量，为新的测量提供了可能，但它们只使用一次光束，要实现更高的数据传输率，它们需要使用高强度的光束。
C3 的目标是通过新的设计，包括在更多点向加速器输入更精确的定制电磁场以及新的低温冷却系统，来解决大多数直线加速器在长度与能量方面的限制。该项目还旨在使用更多可互换部件和可显著降低成本的建造方法，最终制造出一个成本相对较低的小型对撞机--短至约五英里--但仍能探索粒子物理学的极端前沿。
让大物理更具可持续性
尽管如此，拟议中的 C3 对撞机仍将耗费大量资源来建造和运行，因此其支持者从如何运行加速器本身入手，将大型物理项目的碳足迹纳入考虑范围，从而解决了人们日益关注的问题。
一直以来，物理学家都不太关注如何运行加速器，至少在能源效率方面。然而，SLAC 和斯坦福大学的研究小组发现，一些细微的变化，如改变粒子束的结构和改进产生驱动粒子束的电磁场的克利斯特伦的运行方式，都能带来不同的效果。这些改进加在一起，可以将 C3 的电力需求从大约 150 兆瓦减少到 77 兆瓦，或者说减少近一半。Vernieri说："如果能减少50%，我就心满意足了。"
另一方面，研究小组发现，建筑本身可能是 C3 碳足迹的主要来源，尤其是在全球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，如不同形式的混凝土，以及注意材料的制造和运输方式，可以帮助降低对全球变暖的影响。此外，C3的体积也比其他加速器方案小得多--只有8公里长，这将减少材料的总体使用量，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 C3 项目的选址问题，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，或者可能会建造一个专门的太阳能发电场，与储能系统一起满足加速器的需求。
未来对撞机的可持续性比较
最后，SLAC-斯坦福团队研究了 C3 与其他未来对撞机方案的比较，以及线性对撞机和环形对撞机在进行类似测量时的比较。
根据他们的分析以及对其他加速器进行的类似可持续发展研究，研究小组发现，建造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环形对撞机通常会在建造过程中产生较高的排放量。同样，较短的加速器，如C3和另一个提案--紧凑型直线对撞机，与较长的加速器相比，全球变暖的可能性较小。
"对于研究物理项目的可持续性，这是一个全新的领域，但也是一个必要的领域。至少有一个全新的讨论提出了粒子物理学的碳足迹问题。"