7月5日，在结束了三年的停顿后，欧洲核子研究中心的“大型强子对撞机”将开始收集数据。它将以相反的方向在16英里长的环形轨道上发射高能粒子束，以制造一次爆炸性的碰撞。科学家们将通过高精度探测器观察这场“浩劫”，并从中筛选出揭示我们宇宙内部运作机制的粒子。
但要做到这一切，LHC需要电力：足以供一个小城市使用的电力。对于CERN之外的人来说，很容易想知道为什么一个物理学设施需要这么多电力。粒子物理学家知道这些需求是巨大的，他们中的许多人正努力使未来的对撞机更有效率。
“我认为这个领域越来越认识到，加速器设施如果可能的话，需要减少能源消耗，”前纽约布鲁克海文国家实验室的物理学家Thomas Roser说。
科学家们已经在为LHC的拟议的继任者——所谓的“未来环形对撞机”(FCC)——制定计划。FCC的周长将是LHC的近四倍，其环形结构将实际环绕日内瓦市的大部分地区。在制定计划的过程中，他们正在审视一些——有时是意想不到的——能源使用和温室气体排放的来源，以及如何减少它们。
网络成本
LHC虽然庞大且能耗高，但其运行的碳排放强度并不高。首先，CERN的电力来自法国电网，该电网的核电厂组合使其成为世界上最不依赖碳排放的电网之一。如果将LHC建在化石燃料密集型电网的地区，其气候足迹将大不相同。
“我们非常幸运……如果它在美国，那将是糟糕的，”伦敦大学皇家霍洛威学院的粒子物理学家Véronique Boisvert说。
但对撞机对气候的影响远不止日内瓦郊区的一小片区域。像CERN这样的设施会产生大量的原始数据。为了处理和分析这些数据，粒子物理学依赖于一个全球网络的超级计算机、计算机集群和服务器——这些以耗电量大而闻名。其中至少有22个在美国。
科学家们可以计划在低碳电力地区建造这些网络或使用计算机：例如，选择加利福尼亚而不是佛罗里达。
“也许我们也应该考虑每CPU周期的碳排放量，并在规划技术时将其作为因素，就像我们考虑成本或能源效率一样，”内布拉斯加大学林肯分校的粒子物理学家Ken Bloom说。
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尽管加速器本身仅占粒子物理学碳足迹的一小部分，但Bosivert认为研究人员应该计划减少该设施的能源消耗。到FCC在21世纪40年代和50年代投入使用时，脱碳意味着它必须在电网上与今天比起来数量更多的汽车和电器竞争资源。她认为提前规划是明智的。
Bosivert说，降低功耗的目标是一样的。“你仍然需要最小化功耗，但原因不同。”
回收能量
本着提高效率和节约能源的精神，科学家们正在研究几种可以帮助制造“绿色加速器”的技术。
2019年，康奈尔大学和布鲁克海文国家实验室的研究人员公布了一种名为CBETA（康奈尔-布鲁克海文ERL测试加速器）的原型加速器。令人惊讶的是，在演示中，CBETA回收了科学家们投入的所有能量。
“我们采用了在一定程度上已经存在的技术，对其进行了改进并拓宽了其应用范围，”康奈尔大学的物理学家Georg Hoffstaetter说。
CBETA通过一个可容纳在仓库内的跑道形环形轨道发射高能电子。每“圈”，电子都会获得能量提升。经过四圈后，机器可以将电子减速并储存其能量以备再次使用。CBETA是物理学家首次在经过这么多整圈后回收能量。
这项技术并不新，但随着粒子物理学家越来越关注节能，类似的技术已经纳入FCC的计划中。“[FCC]有一些使用能量回收的选项，”Hoffstaetter说。未被撞击的粒子可以被回收。
CBETA还通过使用不同的磁体来节省能源。大多数粒子加速器使用电磁体来引导粒子沿弧线运动。电磁体从电流绕过它们获得磁性；关掉开关，磁场就会消失。通过用不需要电的永磁体取代电磁体，CBETA可以减少能源消耗。
“这些技术正在逐渐普及，”Hoffstater说。“它们正被认可并被纳入新项目以节省能源。”
其中一些项目比FCC更接近完成。布鲁克海文国家实验室的一个新对撞机的设计者——碰撞电子和离子——已经计划了能量回收。在弗吉尼亚州纽波特纽斯的一个加速器设施——杰斐逊实验室，科学家们正在建造一个使用永磁体的大型加速器。
粒子对撞机的能量找到新生命的途径不止一种。对撞机的大部分能量会转化为热量。这些热量可以被利用：CERN已尝试将热量管道输送到LHC周围城镇的居民家中。
气体的罪魁祸首
但只关注这些设施的碳排放量，就忽略了其中一部分——实际上是最大的一部分。“那不是主要的排放源，”Bosivert说。“主要来源是我们粒子探测器中使用的气体。”
为了将设备保持在探测粒子的理想温度，高度敏感的设备需要通过气体进行冷却——类似于一些冰箱中使用的气体。这些气体需要不可燃，并能承受高水平的辐射，同时还要保持冷藏温度。
选择的气体属于氢氟碳化合物 (HFC) 和全氟化碳 (PFC) 类别。其中一些是温室气体，其效力远高于二氧化碳。C2H2F2，CERN最常见的HFC，其捕获热量的效率是二氧化碳的1300倍。
LHC已经尝试捕获这些气体，重复利用它们，并阻止它们排放到大气中。尽管如此，其过程并不完美。“这些气体很多都在实验中很难接触到的部分，”Bloom说。“那里可能会发生泄漏。修复它们将非常困难。”
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从后勤的角度来看，使用HFCs和PFCs带来了采购问题。一些地区——例如欧盟——正在禁止使用它们。Bosivert说，这导致了价格的剧烈波动。
“当你设计未来的探测器时，你不能再使用那些气体了，”Bosivert说。“所有这些研发——‘好的，我们将使用什么气体？’——基本上都需要现在发生。”
已有替代品。其中一种实际上是二氧化碳本身。CERN已经对LHC的一些探测器进行了改造，用这种化合物进行冷却。它并不完美，但已是改进。
这些正是许多科学家希望在未来加速器的任何规划讨论中都考虑到的选择。
“就像货币成本是任何未来设施、未来实验、未来物理学计划的考量因素一样，”Bloom说，“我们可以以同样的方式考虑气候成本。”
更正 2022年8月9日：本文已更新，以包含Ken Bloom的大学职位信息。
