|粒子加速器欲向“绿色”转型

【|粒子加速器欲向“绿色”转型】◎采访人员刘霞
欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）已于7月开始收集数据，其下一代加速器——未来环形对撞机（FCC）的建造也已经提上日程，这些“庞然大物”有助科学家揭示宇宙间的奥秘，但同时也是耗能大户。
美国《大众科学》杂志网站在近日的报道中指出，业内越来越意识到，这些粒子加速器设施需要降低能源消耗，向“绿色”挺进。为此，不同团队采用了不同的办法：回收投入的能量、采用永磁体、高效利用排放出的废热等。
加速器耗电量巨大
LHC已于7月5日开始收集数据。它将向25.7公里长的环路相反方向发射高能粒子束，产生爆炸性碰撞，其碰撞能量将达到创纪录的13.6万亿电子伏特，从而使科学家能够“以前所未有的精确度和新渠道”详细研究希格斯玻色子的性质，对粒子物理学标准模型及其各种扩展理论展开更严格的测试。
尽管LHC有可能获得举世瞩目的发现，正如它于2012年发现希格斯玻色子一样，但它需要使用足够供一座小城市用的电力。美国康奈尔大学官网早在2020年1月21日的报道中就指出，大型粒子加速器消耗的电力高达5千兆瓦——大约是核电站容量的一半。
除LHC外，科学家们已经在为FCC制定计划， FCC的周长几乎是LHC的4倍，计划于2040年左右开始工作，预计其能量将达到100万亿电子伏特，能耗可能也会非常巨大。
当然，尽管LHC的能源需求非常大，但它运行起来却并非碳密集型。 CERN的电力来自法国电网，法国的核电厂使其成为世界上碳依赖程度最低的国家之一。此外，像CERN这样的设施会产生大量原始数据，为处理和分析这些数据，粒子物理学依赖一个由超级计算机、计算机集群和服务器组成的全球网络，而它们也非常耗电，科学家们可以在低碳电力丰富的地方建造这些网络或使用计算机。
曾在纽约的布鲁克海文国家实验室工作的物理学家托马斯·罗泽对《大众科学》表示：“业内越来越意识到，如果可能的话，加速器设施需要降低能源消耗。 ”
英国伦敦大学皇家霍洛韦学院粒子物理学家韦罗妮克·布瓦韦尔也指出：“我们应该计划降低加速器的能耗。等到FCC在本世纪40年代或50年代上线时，将不得不与更多的汽车和电器争夺电网资源，提前做计划是明智之举。 ”
“绿色加速器”技术方兴未艾
为提高效率并节约能源，科学家正在研究一些使大型粒子加速器向“绿色”转型的技术。
据美国康奈尔大学官网报道， 2019年，来自该校、布鲁克海文国家实验室以及其他9个机构的研究人员研制出了一台名为“康奈尔—布鲁克海文ERL试验加速器”（CBETA）的加速器原型机。在一次关键演示中，该加速器可以回收99.8%的能量。这意味着，提供给主加速装置的能量比没有能量回收装置的加速束流要快500倍。
CBETA首席科学家、康奈尔大学物理学家格奥尔格·霍夫施泰特解释说， CBETA会发射高能电子，通过一个跑道形状的环路，电子每跑“一圈”就获得一次能量提升。 4圈后，加速器可以使电子减速并存储它们的能量以供再次使用。 CBETA使物理学家们第一次能在电子跑了多圈之后回收能量。
尽管这并非一项新技术，但随着粒子物理学家对节能越来越感兴趣， FCC的计划中也有类似技术。霍夫施泰特说：“FCC有能量回收选项，未粉碎的粒子可以被回收。 ”