Les physiciens se demandent : pouvons-nous rendre un collisionneur de particules plus économe en énergie ?

3 novembre 2023

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par Nathan Collins, Laboratoire national SLAC d'accélérateur

Depuis la découverte du boson de Higgs en 2012, les physiciens ont voulu construire de nouveaux collisionneurs de particules pour mieux comprendre les propriétés de cette particule insaisissable et explorer la physique des particules élémentaires à des échelles d'énergie de plus en plus élevées.

Le problème est que cela nécessite beaucoup d'énergie. Un collisionneur typique consomme des centaines de mégawatts, l'équivalent de dizaines de millions d'ampoules modernes, pour fonctionner. Sans parler de l'énergie nécessaire pour construire les dispositifs, tout cela entraîne une chose : beaucoup de dioxyde de carbone et d'autres gaz à effet de serre.

Maintenant, des chercheurs du Laboratoire national SLAC d'accélérateur et de l'Université de Stanford, du Département de l'énergie, ont réfléchi à la façon de rendre une proposition, le Collisionneur en cuivre cool (C3), plus économe en énergie.

Pour comprendre comment le faire, ils ont considéré trois aspects clés qui s'appliquent à toute conception d'accélérateur : comment les scientifiques utiliseraient le collisionneur, comment le collisionneur lui-même est construit et même où le collisionneur est construit, ce qui s'avère avoir un impact significatif, bien que indirect, sur l'empreinte carbone globale du projet.

"Lorsqu'il est question de grandes découvertes scientifiques, il est désormais obligatoire de penser non seulement en termes de coûts financiers, mais aussi d'impact environnemental", a déclaré Caterina Vernieri, professeure adjointe à SLAC et l'une des co-auteurs de l'article publié dans PRX Energy.

Emilio Nanni, professeur adjoint à SLAC et autre co-auteur, est d'accord. "En tant que scientifiques, nous espérons tous inspirer le public et les générations futures non seulement grâce à nos découvertes, mais aussi grâce à nos actions", a déclaré Nanni. "Cela nécessite que nous prenions en compte à la fois l'impact scientifique potentiel et l'impact global sur notre communauté." Rendre les installations plus durables, a-t-il dit, aidera à atteindre ces deux objectifs.

C3 est l'une des nombreuses propositions de collisionneur de nouvelle génération capable d'explorer le boson de Higgs et au-delà, bien qu'elles suivent toutes l'une des deux conceptions de base : les accélérateurs linéaires, tels que C3 et le collisionneur linéaire international proposé, et les synchrotrons, ou les futurs accélérateurs circulaires, tels que le futur collisionneur circulaire ou le collisionneur électron-positron circulaire.

Chacun a ses avantages et ses inconvénients. Notamment, les synchrotrons peuvent recirculer les faisceaux de particules, ce qui signifie qu'ils peuvent collecter des données sur de nombreuses boucles. Cependant, ils atteignent une limite, car les particules chargées comme les protons et les électrons perdent de l'énergie lorsque leurs trajectoires sont courbées en cercle, ce qui augmente la consommation d'énergie. Les accélérateurs linéaires n'ont pas le problème de perte d'énergie, ce qui leur permet d'atteindre une énergie plus élevée et d'ouvrir la possibilité de nouvelles mesures, mais ils utilisent le faisceau une seule fois et pour obtenir des débits de données plus élevés, ils doivent travailler avec des faisceaux intenses.

C3 vise à résoudre les limitations longueur-énergie de la plupart des accélérateurs linéaires avec une nouvelle conception, comprenant des champs électromagnétiques plus précisément adaptés injectés dans l'accélérateur à plus de points, ainsi qu'un nouveau système de refroidissement cryogénique. Le projet vise également à utiliser des pièces plus interchangeables et une approche de construction qui pourrait réduire considérablement les coûts, ce qui se traduirait finalement par un collisionneur relativement peu coûteux et de petite taille, d'environ cinq miles seulement, qui pourrait néanmoins sonder les frontières extrêmes de la physique des particules.

Néanmoins, le collisionneur C3 proposé nécessiterait beaucoup de ressources pour être construit et exploité, donc ses partisans ont pris en compte une préoccupation croissante en tenant compte de l'empreinte carbone des grands projets de physique, en commençant par la façon dont ils opéreraient le collisionneur lui-même.

Historiquement, les physiciens ne se sont pas beaucoup préoccupés de la manière dont ils opéraient les accélérateurs, du moins en termes d'efficacité énergétique. L'équipe de SLAC et Stanford a cependant découvert que de légers changements, tels que le changement de structure du faisceau de particules et l'apport d'améliorations, dans l'exploitation des klystrons, qui créent les champs électromagnétiques qui entraînent le faisceau, pourraient faire une différence. Ensemble, ces améliorations pourraient réduire les besoins en énergie de C3 d'environ 150 mégawatts à peut-être 77 mégawatts, soit presque la moitié. "Je serais heureuse avec 50% de cela", a déclaré 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