Фундаментальная наука «позеленеет»: физики задумались об энергоэффективном производстве бозонов Хиггса

Время дешёвой энергии прошло, что требует от научных изысканий в физике элементарных частиц соответствовать моменту. Современные инструменты для изучения частиц и, прежде всего, разнообразные ускорители, потребляют так много энергии, что оказывают пагубное с точки зрения экологии воздействие на окружающую среду. Это ведёт к устойчивому мнению, что все будущие проекты ускорителей должны подвергаться строжайшей экологической экспертизе.

Примерное расположение коллайдера Future Circular Collider. Источник изображения: CERN

Комплекс ускорителей в ЦЕРНе, жемчужиной которого является Большой адронный коллайдер (БАК), потребляет на уровне 200 МВт в пике, что примерно равно трети потребления расположенной недалеко Женевы с населением порядка 200 тыс. человек. В будущем ЦЕРН намерен создать ещё более мощный инструмент для исследования бозона Хиггса и других элементарных частиц — коллайдер Future Circular Collider (FCC) окружностью 100 км. Его ещё называют «хиггсовской фабрикой». Это колоссально поднимет потребление энергии комплексом, что заставляется задуматься о будущей энергоэффективности экспериментов.

Проект FCC ещё не утверждён, что даёт возможность оценить предложенные варианты с точки зрения воздействия на окружающую среду. Предварительные выкладки показывают, что в зависимости от выбранного проекта «сталкивателя частиц» углеродный след «хиггсовской фабрики» может отличаться в 100 раз. К такому выводу пришли европейские физики, изучившие потенциал преемников БАК. И самый масштабный проект в лице FCC со 100-км окружностью оказался самым эффективным с точки зрения затраченной энергии на получение каждого бозона Хиггса.

В настоящее время существует пять предложений по созданию высокоэнергетического позитронно-электронного коллайдера. Это три коллайдера на линейных ускорителях — Международный линейный коллайдер (ILC) в Японии, американский коллайдер C3 и Компактный линейный коллайдер в ЦЕРНе, а также два кольцевых коллайдера — ЦЕРНовский FCC и китайский электрон-позитронный коллайдер (CEPC). Физики из ЦЕРНа проанализировали каждый проект и пришли к выводу, что Future Circular Collider будет самым энергоэффективным даже с учётом влияния на окружающую среду сооружений коллайдера и всех необходимых строительных работ (хотя все приведенные ниже выкладки учитывают только энергетическую составляющую работы коллайдеров как самую значимую).

В частности, исследователи подсчитали, что Future Circular Collider будет потреблять 3 МВт·ч на каждый произведенный бозон Хиггса. На втором месте по эффективности оказался китайский CEPC — 4,1 МВт·ч на бозон Хиггса. Самым энергозатратным признан американский коллайдер C3, который на каждый бозон Хиггса будет расходовать 18 МВт·ч.

С учётом углеродного следа от производства электроэнергии в каждой из стран, где планируется строить будущие и более мощные коллайдеры, круговой коллайдер Future Circular Collider снова оказался самым дружественным к природе — производство каждого бозона Хиггса на FCC будет сопровождаться выбросом 0,17 т эквивалента CO₂. Японский ILC, к примеру, будет производить в 50 раз больше выбросов на каждый бозон Хиггса (9,4 т эквивалента CO₂). Такая громадная разница возникла преимущественно по той причине, что Future Circular Collider будет запитан от французских энергосетей, в которых преобладает электричество от атомных электростанций.

Более того, если Future Circular Collider увеличит число точек взаимодействия частиц с 2 до 4, то его эффективность вырастет ещё в два раза — до 1,8 МВт·ч на каждый бозон Хиггса и выбросов до 0,1 т эквивалента CO₂.

Как ещё один вариант для снижения воздействия коллайдеров ЦЕРНа на окружающую среду предложено протянуть линию электропередачи от солнечных электростанций в Северной Африке, хотя это уже другая история. Факт в том, что фундаментальная наука сможет двигаться вперёд далеко не во всех странах и регионах. И это ещё непонятно, как на всём этом скажется нынешний энергетический кризис. В ЦЕРН уже задумались о сокращении ряда второстепенных экспериментов, и с этим придётся жить дальше.