Peut-on rendre un collisionneur de particules plus économe en énergie ?

Depuis la découverte du boson de Higgs en 2012, les physiciens ont cherché à construire de nouveaux accélérateurs 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. Cela nécessite beaucoup d’énergie.

Un accélérateur typique nécessite des centaines de mégawatts, l’équivalent de dizaines de millions d’ampoules modernes, pour fonctionner. C’est sans parler de l’énergie nécessaire pour construire les dispositifs, ce qui se traduit par une chose : beaucoup de dioxyde de carbone et d’autres gaz à effet de serre.

Aujourd’hui, des chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory du Département de l’énergie et de l’Université Stanford ont réfléchi à la manière de rendre une proposition, le Cool Copper Collider (C3), plus économe en énergie.

Principaux enseignements

Comprendre le Collisionneur de cuivre (C3)

Pour comprendre comment le faire, ils ont pris en compte trois aspects clés qui s’appliquent à tout design d’accélérateur : comment les scientifiques exploiteraient le collisionneur, comment le collisionneur lui-même est construit en premier lieu et même où le collisionneur est construit – ce qui s’avère avoir un impact significatif, bien que indirect, sur l’empreinte carbone globale du projet.

« Lorsqu’on parle de grande science, il est désormais obligatoire de penser non seulement en termes de coûts financiers, mais aussi d’impact environnemental », a précisé Caterina Vernieri, professeure assistante au SLAC.

Emilio Nanni, professeur assistant au SLAC est d’accord. « 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 t-il déclaré. « Cela nécessite que nous prenions en compte à la fois l’impact scientifique potentiel et l’impact global sur notre communauté ».

Rendre les installations plus durables, a-t-il ajouté, aidera à atteindre ces deux objectifs.

Les options pour un accélérateur de prochaine génération

Le C3 est l’une des nombreuses propositions différentes pour un accélérateur de prochaine génération capable de sonder le Higgs et au-delà, bien qu’ils suivent tous l’un des deux designs de base : les accélérateurs linéaires, tels que le C3 et le proposé International Linear Collider, et les synchrotrons, ou futurs accélérateurs circulaires comme le Future Circular Collider ou le Circular Electron Positron Collider. Chacun a ses avantages et ses inconvénients.

Notamment, les synchrotrons sont en mesure de faire re-circuler les faisceaux de particules. Cela 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 leurs trajectoires sont courbées en cercle, ce qui augmente la consommation d’énergie.

Les accélérateurs linéaires n’ont pas le problème de la 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 taux de données plus élevés, ils doivent travailler avec des faisceaux intenses.

En synthèse

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

Le collisionneur C3 proposé nécessiterait en revanche beaucoup de ressources pour être construit et exploité, de sorte que ses promoteurs ont pris en compte une préoccupation croissante en tenant compte de 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 accordé 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 découvert, cependant, 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 propulsent le faisceau, pourraient faire une différence. Pris ensemble, ces améliorations pourraient réduire les besoins en énergie du C3 de 150 mégawatts à peut-être 77 mégawatts, soit presque de moitié.

« Je serais heureux avec 50% de cela », a ajouté Caterina Vernieri. D’autre part, l’équipe a découvert que la construction elle-même est susceptible d’être responsable de la majeure partie de l’empreinte carbone du C3, surtout à mesure que le monde passe à l’utilisation de plus d’énergie renouvelable. Les chercheurs suggèrent que l’utilisation de matériaux différents, tels que différentes formes de béton, ainsi que l’attention portée à la manière dont les matériaux sont fabriqués et transportés, pourrait aider à réduire l’impact sur le réchauffement climatique.

Le 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 qui pourraient simplifier et accélérer la construction. Les chercheurs ont également pris en compte l’endroit où le projet C3 serait situé, car cela pourrait affecter le mélange d’énergie fossile par rapport à l’énergie renouvelable qui alimenterait le collisionneur, ou potentiellement la construction d’une ferme solaire dédiée qui, avec un système de stockage d’énergie, couvrirait les besoins de l’accélérateur.

L’équipe du SLAC-Stanford a enfin examiné comment le C3 pourrait se comparer à d’autres propositions de collisionneurs futurs, ainsi qu’à la manière dont les collisionneurs linéaires et circulaires se comparent, lorsque chaque collisionneur effectue des mesures similaires.

Sur la base de leur analyse et d’études de durabilité similaires pour d’autres accélérateurs, l’équipe a découvert que la construction est susceptible d’être le principal moteur de l’empreinte carbone d’un projet, mais que les collisionneurs circulaires capables d’objectifs physiques similaires auraient généralement des émissions plus élevées liées à la construction. De même, les accélérateurs plus courts tels que le C3 et une autre proposition, le Compact Linear Collider, auraient moins de potentiel de réchauffement global par rapport à ceux plus longs.

« C’est tellement nouveau comme domaine », a conclu Caterina Vernieri à propos de l’étude de la durabilité des projets de physique, mais nécessaire. « Il y a toute une nouvelle discussion au moins posant la question de l’empreinte carbone de la physique des particules »

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que le Cool Copper Collider (C3) ?

Le C3 est une proposition pour un accélérateur de particules de prochaine génération. Il vise à résoudre les limitations de longueur par rapport à l’énergie de la plupart des accélérateurs linéaires avec un nouveau design, y compris des champs électromagnétiques plus précisément adaptés alimentés dans l’accélérateur à plus de points ainsi qu’un nouveau système de refroidissement cryogénique.

Quels sont les avantages et les inconvénients des accélérateurs linéaires et circulaires

Les accélérateurs linéaires, comme le C3, n’ont pas le problème de la perte d’énergie, ce qui leur permet d’atteindre une énergie plus élevée et d’ouvrir la possibilité de nouvelles mesures. Cependant, ils utilisent le faisceau qu’une seule fois. Les synchrotrons peuvent faire re-circuler les faisceaux de particules, ce qui signifie qu’ils peuvent collecter des données sur de nombreuses boucles. Ils atteignent une limite, car les particules chargées comme les protons et les électrons perdent de l’énergie lorsque leurs trajectoires sont courbées en cercle, ce qui augmente la consommation d’énergie.

Comment le C3 pourrait-il être plus économe en énergie ?

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 propulsent le faisceau, pourraient faire une différence. Pris ensemble, ces améliorations pourraient réduire les besoins en énergie du C3 de 150 mégawatts à peut-être 77 mégawatts, soit presque de moitié.

Quel est l’impact de la construction sur l’empreinte carbone du C3 ?

La construction elle-même est susceptible d’être responsable de la majeure partie de l’empreinte carbone du C3, surtout à mesure que le monde passe à l’utilisation de plus d’énergie renouvelable. L’utilisation de matériaux différents, tels que différentes formes de béton, ainsi que l’attention portée à la manière dont les matériaux sont fabriqués et transportés, pourrait aider à réduire l’impact sur le réchauffement climatique.

Comment le C3 se compare-t-il à d’autres propositions de collisionneurs futurs ?

Sur la base de leur analyse et d’études de durabilité similaires pour d’autres accélérateurs, l’équipe a découvert que la construction est susceptible d’être le principal moteur de l’empreinte carbone d’un projet, mais que les collisionneurs circulaires capables d’objectifs physiques similaires auraient généralement des émissions plus élevées liées à la construction. De même, les accélérateurs plus courts tels que le C3 et une autre proposition, le Compact Linear Collider, auraient moins de potentiel de réchauffement global par rapport à ceux plus longs.

Citation: Martin Breidenbach et al., PRX Energy, 2023 (10.1103/PRXEnergy.2.047001)

Légende illustration principale : Une section prototype du tunnel de faisceau du Cool Cooper Collider proposé. (Emilio Nanni/SLAC National Accelerator Laboratory)