Le collisionneur de cuivre froid peut-il redéfinir l’efficacité énergétique en physique des particules ?

L’avenir de la physique expérimentale des particules est passionnant – et gourmand en énergie. Les physiciens du SLAC réfléchissent à la manière de rendre plus durable une proposition, le Cool Copper Collider.
Depuis la découverte du boson de Higgs en 2012, les physiciens souhaitent construire de nouveaux collisionneurs de particules pour mieux comprendre les propriétés de cette particule insaisissable et sonder la physique des particules élémentaires à des échelles d’énergie toujours plus élevées.

Le problème, c’est que cela demande de l’énergie – beaucoup d’énergie. Un collisionneur classique nécessite des centaines de mégawatts – l’équivalent de dizaines de millions d’ampoules modernes – pour fonctionner. Sans parler de l’énergie nécessaire à la construction des appareils, et tout cela se résume à une seule chose : beaucoup de dioxyde de carbone et d’autres gaz à effet de serre.

Efficacité énergétique innovante dans la conception des collisionneurs

Aujourd’hui, des chercheurs du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l’Énergie et de l’Université de Stanford ont réfléchi à la manière de faire une proposition, le Cool Copper Collider (C³), plus économe en énergie.

Pour comprendre comment y parvenir, ils ont examiné trois aspects clés qui s’appliquent à toute conception d’accélérateur : la façon dont les scientifiques exploiteraient le collisionneur, la manière dont le collisionneur lui-même est construit en premier lieu et même l’endroit où le collisionneur est construit – ce qui s’avère avoir un impact significatif, bien qu’indirect, sur l’empreinte carbone globale du projet.

« Quand on parle de grande science, il est désormais obligatoire de penser non seulement en termes de coûts financiers, mais aussi d’impact environnemental », a déclaré Caterina Vernieri, professeur adjoint au SLAC et l’un des co-auteurs du nouvel article, publié dans PRX Énergie.

Emilio Nanni, professeur adjoint au SLAC et autre co-auteur, est du même avis. « En tant que scientifiques, nous espérons tous inspirer le public et les générations futures, non seulement par nos découvertes, mais aussi par nos actions », a déclaré Nanni. « Cela nécessite que nous considérions à la fois l’impact scientifique potentiel et l’impact global sur notre communauté. » Rendre les installations plus durables, a-t-il déclaré, contribuera à atteindre ces deux objectifs.

Variations de conception du collisionneur et impact environnemental

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

Chacun a ses avantages et ses inconvénients. Les synchrotrons peuvent notamment faire circuler des 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 leur trajectoire est courbée en cercle, ce qui augmente la consommation d’énergie. Les accélérateurs linéaires n’ont pas de 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 n’utilisent le faisceau qu’une seule fois et pour atteindre des débits de données plus élevés, ils doivent travailler avec des faisceaux intenses.

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

Rendre la grande physique plus durable

Pourtant, le C proposé³ La construction et l’exploitation d’un collisionneur nécessiteraient beaucoup de ressources. Ses partisans ont donc répondu à une préoccupation croissante en prenant en compte l’empreinte carbone des grands projets de physique, à commencer par la manière dont ils exploiteraient l’accélérateur lui-même.

Historiquement, les physiciens n’ont pas prêté beaucoup d’attention à la manière dont ils exploitaient les accélérateurs, du moins en termes d’efficacité énergétique. L’équipe du SLAC et de Stanford a toutefois découvert que des changements subtils, tels que la modification de la structure du faisceau de particules et l’amélioration du fonctionnement des klystrons, qui créent les champs électromagnétiques qui entraînent le faisceau, pourraient faire la différence. Prises ensemble, ces améliorations pourraient réduire C³Les besoins en énergie varient d’environ 150 mégawatts à peut-être 77 mégawatts, soit près de la moitié. « Je me contenterais de 50 % de cela », a déclaré Vernieri.

D’un autre côté, a découvert l’équipe, la construction elle-même est probablement responsable de la majeure partie de l’empreinte carbone du C.³– d’autant plus que le monde s’oriente vers une utilisation accrue des énergies renouvelables. Les chercheurs suggèrent que l’utilisation de différents matériaux, tels que différentes formes de béton, ainsi que la manière dont les matériaux sont fabriqués et transportés, pourraient contribuer à réduire l’impact du réchauffement climatique. C³ est également nettement plus petit que les autres propositions d’accélérateurs – seulement huit kilomètres de long – ce qui réduirait l’utilisation globale de matériaux et permettrait aux constructeurs de sélectionner des sites susceptibles de simplifier et d’accélérer la construction.

Les chercheurs ont également examiné où le C³ Le projet serait localisé, car cela pourrait affecter la combinaison de combustibles fossiles et d’énergies renouvelables qui alimentaient le collisionneur, ou potentiellement la construction d’un parc solaire dédié qui, avec un système de stockage d’énergie, couvrirait les besoins de l’accélérateur.

Durabilité comparée des futurs collisionneurs

Enfin, l’équipe du SLAC-Stanford a examiné comment C³ pourrait se comparer à d’autres futures propositions de collisionneurs, ainsi qu’à la comparaison des collisionneurs linéaires et circulaires, lorsque chaque collisionneur effectue des mesures similaires.

Sur la base de leur analyse et d’études de durabilité similaires portant sur d’autres accélérateurs, l’équipe a découvert que la construction est probablement le principal facteur d’empreinte carbone d’un projet, mais que les collisionneurs circulaires capables d’atteindre des objectifs physiques similaires auraient généralement des émissions plus élevées liées à la construction. De même, les accélérateurs plus courts tels que C³ et une autre proposition, le collisionneur linéaire compact, aurait un potentiel de réchauffement climatique moindre que les projets plus longs.

« C’est un domaine très nouveau », a déclaré Vernieri à propos de l’étude de la durabilité des projets de physique, mais c’est un domaine nécessaire. « Il y a un tout nouveau débat qui pose au moins la question de l’empreinte carbone de la physique des particules. »