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)的一項分析指出，任何一臺超級對撞機都將長達數(shù)公里，消耗的能源相當(dāng)于一個中等城市，但不同設(shè)計產(chǎn)生的碳足跡也大不相同。

 

上個月發(fā)表在《歐洲物理雜志Plus》的一項研究發(fā)現(xiàn)，CERN提出的一臺機器——位于瑞士日內(nèi)瓦附近的未來環(huán)形對撞機（FCC），只需要使用其最耗能的競爭對手1/6的能量，就可以達到同樣的物理目標(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)擁有世界上最強大的粒子加速器——大型強子對撞機（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個主要“希格斯工廠”的設(shè)計細節(jié)，計算了每一個希格斯玻色子的能量消耗。除了FCC和中國提出的環(huán)形正負電子對撞機（CEPC）外，他們還研究了3個線性對撞機——日本計劃已久的國際線性對撞機（ILC）、CERN的緊湊型線性對撞機（CLIC）和美國緊湊型加速器“冷銅對撞機”（C3）。

 

研究每一個希格斯玻色子的能量消耗是有意義的，Janot說，因為“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)形對撞機的年能量消耗與線性對撞機相似，但它產(chǎn)生希格斯玻色子的速度更快，因此可以在更短時間內(nèi)達到相同的科學(xué)目標(biāo)。

 

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

 

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，碳排放和成本一樣重要。她補充說，作者的方法是估算這些排放量的第一步。但是，每一個設(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，都沒有被納入這項研究中，這最終可能和它們運行時的碳足跡一樣重要。

 

未來，對撞機的碳足跡將是一個非常重要的問題。據(jù)《自然》雜志報道，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)。他補充說，與目前的估計相比，正在為CEPC改進技術(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)動運行的方法。

 

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

 

Janot說，目前，運行一臺對撞機的碳足跡通常比建造對撞機的碳足跡要大。他指出，當(dāng)電力實現(xiàn)無碳排放時，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每個希格斯玻色子的碳足跡大約會翻一番，但總排放量仍遠低于線性加速器單獨運行時的碳排放。

 

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