Los físicos se preguntan: ¿Podemos hacer que un colisionador de partículas sea más eficiente energéticamente?

3 de noviembre de 2023

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por Nathan Collins, SLAC National Accelerator Laboratory

Desde el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012, los físicos han querido construir nuevos colisionadores de partículas para comprender mejor las propiedades de esa elusiva partícula y explorar la física de partículas elementales a escalas de energía cada vez más altas.

El truco está en que hacerlo requiere energía, mucha energía. Un colisionador típico consume cientos de megavatios, lo que equivale a decenas de millones de bombillas de luz modernas. Sin mencionar la energía necesaria para construir los dispositivos, y todo esto se suma a una cosa: mucho dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero.

Ahora, investigadores del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford han pensado en cómo hacer que una propuesta, el Cool Copper Collider (C3), sea más eficiente en consumo de energía.

Para entender cómo hacerlo, consideraron tres aspectos clave que se aplican a cualquier diseño de acelerador: cómo los científicos operarían el colisionador, cómo se construiría el colisionador en primer lugar e incluso dónde se construiría el colisionador, lo que resulta tener un impacto significativo, aunque indirecto, en la huella de carbono total del proyecto.

"Cuando se habla de ciencia importante, ahora es obligatorio pensar no solo en términos de costos financieros, sino también en el impacto ambiental", dijo Caterina Vernieri, profesora asistente en SLAC y una de las coautoras del nuevo artículo, que fue publicado en PRX Energy.

Emilio Nanni, profesor asistente en SLAC y otro coautor, está de acuerdo. "Como científicos, todos esperamos inspirar al público y a las futuras generaciones no solo a través de nuestros descubrimientos, sino también a través de nuestras acciones", dijo Nanni. "Esto requiere que consideremos tanto el impacto científico potencial como el impacto general en nuestra comunidad". Hacer que las instalaciones sean más sostenibles, dijo, ayudará a lograr ambos objetivos.

C3 es una de varias propuestas para un acelerador de próxima generación capaz de investigar el Higgs y más allá, aunque todas siguen uno de dos diseños básicos: aceleradores lineales, como C3 y el propuesto Colisionador Lineal Internacional, y sincrotrones o futuros aceleradores circulares, como el Future Circular Collider o el Circular Electron Positron Collider.

Cada uno tiene sus ventajas y desventajas. En particular, los sincrotrones pueden recircular haces de partículas, lo que significa que pueden recolectar datos durante muchos bucles. Sin embargo, tienen un límite, porque las partículas cargadas como protones y electrones pierden energía cuando sus trayectorias se doblan en un círculo, lo que aumenta el consumo de energía. Los aceleradores lineales no tienen el problema de pérdida de energía, lo que les permite alcanzar energías más altas y abrir la posibilidad de nuevas mediciones, pero solo utilizan el haz una vez y, para lograr tasas de datos más altas, necesitan trabajar con haces intensos.

C3 tiene como objetivo resolver las limitaciones de longitud versus energía de la mayoría de los aceleradores lineales con un nuevo diseño, que incluye campos electromagnéticos más precisamente ajustados alimentados en el acelerador en más puntos, así como un nuevo sistema de enfriamiento criogénico. El proyecto también tiene como objetivo utilizar partes más intercambiables y un enfoque de construcción que podría reducir significativamente los costos, lo que resultaría en un colisionador relativamente de bajo costo y pequeño, incluso tan corto como aproximadamente cinco millas, pero que podría investigar los límites extremos de la física de partículas.

Aún así, el colisionador C3 propuesto requeriría muchos recursos para construir y operar, por lo que sus defensores abordaron una preocupación creciente al tener en cuenta la huella de carbono de los proyectos importantes de física, comenzando con la forma en que operarían el propio acelerador.

Históricamente, los físicos no prestaban mucha atención a cómo operaban los aceleradores, al menos en términos de eficiencia energética. Sin embargo, el equipo de SLAC y Stanford encontró que cambios sutiles, como cambiar la estructura del haz de partículas y realizar mejoras en la operación de los cliistriones, que crean los campos electromagnéticos que impulsan el haz, podrían marcar la diferencia. En conjunto, estas mejoras podrían reducir las necesidades de energía de C3 de alrededor de 150 megavatios a quizás 77 megavatios, o casi a la mitad. "Estaría feliz con el 50% de eso", dijo Vernieri.

On the other hand, the team found, construction itself is likely to be responsible for the bulk of the carbon footprint for C3– especially as the world shifts to using more renewable energy. The researchers suggest that using different materials, such as different forms of concrete, as well as attending to how materials are manufactured and transported, could help lower the global warming impact. C3 is also significantly smaller than other accelerator proposals—only eight kilometers long—which would reduce the overall use of materials and allow builders to select sites that could simplify and speed up construction.

The researchers also considered where the C3 project would be located, since that could affect the mix of fossil-fuel versus renewable energy that powered the collider, or potentially building a dedicated solar farm that would, along with an energy storage system, cover the accelerator's needs.

Finally, the SLAC-Stanford team looked at how C3 might compare with other future collider proposals, as well as how linear and circular colliders compare, when each collider performs similar measurements.

Based on their analysis and similar sustainability studies for other accelerators, the team found that construction is likely to be the main driver of a project's carbon footprint, but that circular colliders capable of similar physics goals would generally have higher emissions related to construction. Likewise, shorter accelerators such as C3 and another proposal, the Compact Linear Collider, would have less global warming potential compared to longer ones.

'It's so new as a field,' Vernieri said of studying the sustainability of physics projects, but a necessary one. 'There is a whole new discussion at least posing the question of the carbon footprint of particle physics.'

Provided by SLAC National Accelerator Laboratory