希格斯玻色子的碳足跡是多少？

歐洲核子研究中心（CERN）領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)分析指出，任何一臺超級對撞機(jī)都將長達(dá)數(shù)公里，消耗的能源相當(dāng)于一個(gè)中等城市，但不同設(shè)計(jì)產(chǎn)生的碳足跡也大不相同。

 

上個(gè)月發(fā)表在《歐洲物理雜志Plus》的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，CERN提出的一臺機(jī)器——位于瑞士日內(nèi)瓦附近的未來環(huán)形對撞機(jī)（FCC），只需要使用其最耗能的競爭對手1/6的能量，就可以達(dá)到同樣的物理目標(biāo)。

 

長期支持建立FCC的作者說，考慮到CERN90%以上的電力來自無碳能源，如核能，F(xiàn)CC的碳足跡將僅為污染最嚴(yán)重的替代能源的1%。

 

CERN已經(jīng)擁有世界上最強(qiáng)大的粒子加速器——大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）。2012年，LHC發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子，這種粒子與賦予物質(zhì)質(zhì)量的場有關(guān)，但LHC產(chǎn)生的希格斯玻色子很少。目前物理學(xué)家想要耗資數(shù)十億美元打造“希格斯工廠”，用來專門生產(chǎn)這種粒子，并希望通過對它們的精確研究，發(fā)現(xiàn)令人興奮的成果。

 

CERN的Patrick Janot和日內(nèi)瓦大學(xué)的粒子物理學(xué)家Alain Blondel，利用已公布的5個(gè)主要“希格斯工廠”的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，計(jì)算了每一個(gè)希格斯玻色子的能量消耗。除了FCC和中國提出的環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)（CEPC）外，他們還研究了3個(gè)線性對撞機(jī)——日本計(jì)劃已久的國際線性對撞機(jī)（ILC）、CERN的緊湊型線性對撞機(jī)（CLIC）和美國緊湊型加速器“冷銅對撞機(jī)”（C3）。

 

研究每一個(gè)希格斯玻色子的能量消耗是有意義的，Janot說，因?yàn)?ldquo;科學(xué)研究的能力與產(chǎn)生的希格斯玻色子數(shù)量直接相關(guān)”。環(huán)形對撞機(jī)的年能量消耗與線性對撞機(jī)相似，但它產(chǎn)生希格斯玻色子的速度更快，因此可以在更短時(shí)間內(nèi)達(dá)到相同的科學(xué)目標(biāo)。

 

研究人員發(fā)現(xiàn)，每產(chǎn)生一個(gè)希格斯玻色子，F(xiàn)CC將消耗3兆瓦時(shí)的電力；CEPC緊隨其后，每個(gè)玻色子的能量消耗為4.1兆瓦時(shí)；C3則因每個(gè)玻色子消耗能量18兆瓦時(shí)而墊底。

 

英國倫敦大學(xué)皇家霍洛威分院的粒子物理學(xué)家Veronique Boisvert說，在選擇下一臺加速器時(shí)，碳排放和成本一樣重要。她補(bǔ)充說，作者的方法是估算這些排放量的第一步。但是，每一個(gè)設(shè)施的建造和退役所產(chǎn)生的碳排放，以及探測器產(chǎn)生的溫室氣體，都沒有被納入這項(xiàng)研究中，這最終可能和它們運(yùn)行時(shí)的碳足跡一樣重要。

 

未來，對撞機(jī)的碳足跡將是一個(gè)非常重要的問題。據(jù)《自然》雜志報(bào)道，中國科學(xué)院高能物理研究所所長王貽芳對此表示贊同。他說，這項(xiàng)研究的方法是合理的，但其使用的許多數(shù)據(jù)都是基于可能發(fā)生變化的假設(shè)。他補(bǔ)充說，與目前的估計(jì)相比，正在為CEPC改進(jìn)技術(shù)的努力可以減少10%的能源消耗。

 

美國斯坦福大學(xué)粒子物理學(xué)家Caterina Vernieri說，C3背后的物理學(xué)家也在努力提高能源效率，并探索用可再生能源驅(qū)動運(yùn)行的方法。

 

Boisvert說，事實(shí)上，許多潛在的東道國都計(jì)劃在2050年或更早之前實(shí)現(xiàn)零碳電網(wǎng)。

 

Janot說，目前，運(yùn)行一臺對撞機(jī)的碳足跡通常比建造對撞機(jī)的碳足跡要大。他指出，當(dāng)電力實(shí)現(xiàn)無碳排放時(shí)，與土木工程相關(guān)的排放量可能也會下降。如果算上建筑產(chǎn)生的排放，F(xiàn)CC每個(gè)希格斯玻色子的碳足跡大約會翻一番，但總排放量仍遠(yuǎn)低于線性加速器單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的碳排放。

 

Janot說，在選擇建造世界上下一臺對撞機(jī)時(shí)考慮到環(huán)境問題有助于研究人員獲得政府和公眾的支持。