Fisici chiedono: possiamo rendere un collider di particelle più efficiente dal punto di vista energetico?

3 novembre 2023

Questo articolo è stato esaminato secondo il processo editoriale e le politiche di Science X. Gli editor hanno evidenziato i seguenti attributi, garantendo la credibilità del contenuto:

• fatto il controllo dei fatti
• fonte affidabile
• corretto

di Nathan Collins, SLAC National Accelerator Laboratory

Dal momento della scoperta del bosone di Higgs nel 2012, i fisici hanno voluto costruire nuovi collider di particelle per comprendere meglio le proprietà di quella particella sfuggente e studiare la fisica delle particelle elementari a scale di energia sempre più elevate. 

Il trucco è che ciò richiede energia - molta energia. Un collider tipico richiede centinaia di megawatt, l'equivalente di decine di milioni di lampadine moderne, per funzionare. Senza contare l'energia necessaria per costruire i dispositivi, il che si traduce in una cosa sola: molte emissioni di diossido di carbonio e altri gas serra.

Ora, i ricercatori del Dipartimento dell'Energia del laboratorio SLAC National Accelerator Laboratory e dell'Università di Stanford hanno pensato a come rendere più efficiente dal punto di vista energetico una proposta, il Cool Copper Collider (C3).

Per capire come fare, hanno considerato tre aspetti chiave che si applicano a qualsiasi progetto di acceleratore: come i ricercatori opererebbero il collisore, come il collisore stesso viene costruito in primo luogo e persino dove viene costruito il collisore, il che si rivela avere un impatto significativo, se indiretto, sulla carbon footprint complessiva del progetto.

"Quando si discute di grandi scoperte scientifiche, ora è obbligatorio pensare non solo in termini di costi finanziari, ma anche in termini di impatto ambientale", ha detto Caterina Vernieri, professore assistente presso SLAC e uno degli autori del nuovo articolo, pubblicato su PRX Energy.

Emilio Nanni, professore assistente presso SLAC e altro co-autore, è d'accordo.

'Come scienziati, speriamo tutti di ispirare il pubblico e le future generazioni non solo attraverso le nostre scoperte, ma anche attraverso le nostre azioni', ha detto Nanni. 'Questo richiede che consideriamo sia l'impatto scientifico potenziale che l'impatto complessivo sulla nostra comunità'. Rendere le strutture più sostenibili, ha detto, contribuirà a raggiungere entrambi gli obiettivi.

C3 è uno dei vari progetti di un acceleratore di nuova generazione capace di studiare il bosone di Higgs e oltre, sebbene tutti seguano due progetti di base: gli acceleratori lineari, come C3 e il proposed International Linear Collider, e i sincrotroni, o futuri collider circolari, come il Future Circular Collider o il Circular Electron Positron Collider.

Ognuno ha i suoi vantaggi e svantaggi. In particolare, i sincrotroni possono far ricircolare fasci di particelle, il che significa che possono raccogliere dati in molti loop. Tuttavia, raggiungono un limite, poiché le particelle cariche come protoni ed elettroni perdono energia quando i loro percorsi vengono curvati in un cerchio, facendo aumentare il consumo di energia. Gli acceleratori lineari non hanno il problema della perdita di energia, il che consente loro di raggiungere energie più elevate e aprire la possibilità di nuove misurazioni, ma utilizzano il fascio solo una volta e, per ottenere tassi di dati più elevati, devono lavorare con fasci intensi.

C3 mira a risolvere i limiti lunghezza-energia della maggior parte degli acceleratori lineari con un nuovo design, che include campi elettromagnetici più precisamente adattati inseriti nell'acceleratore in più punti, nonché un nuovo sistema di raffreddamento criogenico. Il progetto mira anche a utilizzare parti intercambiabili e un approccio costruttivo che potrebbe abbassare significativamente i costi, risultando infine in un collider relativamente a basso costo e di piccole dimensioni - lungo circa cinque miglia - che potrebbe comunque esplorare gli estremi della fisica delle particelle.

Tuttavia, il presunto collider C3 richiederebbe molte risorse per essere costruito e utilizzato, quindi i sostenitori hanno tenuto conto dell'impronta di carbonio dei principali progetti di fisica, a partire da come opererebbero il collider stesso.

Storicamente, i fisici non hanno prestato molta attenzione a come operavano gli acceleratori, almeno per quanto riguarda l'efficienza energetica. Il team SLAC e Stanford ha tuttavia scoperto che cambiamenti sottili, come cambiare la struttura del fascio di particelle e apportare migliorie al funzionamento dei klystron, che creano i campi elettromagnetici che spingono il fascio, potrebbero fare la differenza. Insieme, questi miglioramenti potrebbero ridurre il fabbisogno di energia del C3 da circa 150 megawatt a forse 77 megawatt, o quasi la metà. 'Sarei felice del 50% di quella cifra', ha detto 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