وبلاگ

Newswise – از زمان کشف بوزون هیگز در سال 2012، فیزیکدانان می خواستند برخورد کننده های ذرات جدیدی بسازند تا خواص این ذره گریزان را بهتر درک کنند و فیزیک ذرات را در مقیاس های انرژی بالاتر مطالعه کنند.

ترفند این است که انرژی می گیرد – بسیار. یک برخورددهنده معمولی برای کار به صدها مگاوات – معادل دهها میلیون لامپ مدرن – نیاز دارد. این به معنای انرژی مورد نیاز برای ساخت دستگاه ها نیست، و همه اینها به یک چیز اضافه می شود: مقدار زیادی دی اکسید کربن و سایر گازهای گلخانه ای.

اکنون، محققان آزمایشگاه ملی شتابدهنده SLAC وزارت انرژی و دانشگاه استنفورد در نظر گرفته اند که چگونه پیشنهادی ارائه کنند که برخورد دهنده مس خنک (درجه سانتیگراد³) کارآمدتر انرژی.

برای اینکه بفهمند چگونه می توان این کار را انجام داد، آنها به سه جنبه کلیدی که برای هر طراحی شتاب دهنده ای اعمال می شود نگاه کردند: اینکه دانشمندان چگونه برخورددهنده را کار می کنند، خود برخورددهنده در وهله اول چگونه ساخته شده است، و حتی محل ساخت برخورددهنده – که به نظر می رسد. تاثیر قابل توجه، هرچند غیرمستقیم، بر ردپای کربن کلی پروژه باشد.

کاترینا ورنیری، استادیار SLAC و یکی از نویسندگان همکار می گوید: «زمانی که درباره علم بزرگ بحث می کنیم، اکنون ضروری است که نه تنها از نظر هزینه های مالی، بلکه از نظر تأثیرات زیست محیطی نیز فکر کنیم. کاغذ جدیدکه در منتشر شد انرژی PRX.

امیلیو نانی، استادیار SLAC و یکی دیگر از نویسندگان، با این موضوع موافق است. نانی گفت: «به عنوان دانشمندان، همه ما امیدواریم که نه تنها از طریق اکتشافات خود، بلکه از طریق اقدامات خود نیز الهام بخش جامعه و نسل های آینده باشیم. این مستلزم آن است که هم تأثیر علمی بالقوه و هم تأثیر کلی بر جامعه خود را در نظر بگیریم.» او گفت که پایدارتر کردن امکانات به دستیابی به هر دو هدف کمک می کند.

گزینه های فراوان

درجه سانتی گراد³ یکی از چندین پیشنهاد مختلف برای یک شتاب دهنده نسل بعدی است که قادر به بررسی هیگز و فراتر از آن است، اگرچه همه آنها یکی از دو طرح اساسی را دنبال می کنند: شتاب دهنده های خطی، مانند C.³و پیشنهادی برخورد دهنده خطی بین المللیو سنکروترون ها یا شتاب دهنده های دایره ای آینده مانند برخورد دهنده دایره ای آینده یا برخورد دهنده دایره ای الکترون پوزیترون.

هر کدام مزایا و معایب خود را دارند. قابل ذکر است، سنکروترون ها می توانند پرتوهای ذرات را دوباره به گردش در آورند، به این معنی که می توانند داده ها را در بسیاری از مدارها جمع آوری کنند. با این حال، آنها به یک حد می رسند زیرا ذرات باردار مانند پروتون ها و الکترون ها انرژی خود را از دست می دهند زیرا مسیرهای آنها در یک دایره خم می شود و مصرف انرژی را افزایش می دهد. شتاب دهنده های خطی مشکل اتلاف انرژی را ندارند که به آنها امکان دستیابی به انرژی بالاتر و امکان اندازه گیری های جدید را می دهد، بلکه فقط یک بار از پرتو استفاده می کنند و برای دستیابی به نرخ داده بالاتر باید با پرتوهای شدید کار کنند.

درجه سانتی گراد³ هدف این است که محدودیت‌های طول به انرژی بیشتر شتاب‌دهنده‌های خطی را با طراحی جدید حل کند، از جمله میدان‌های الکترومغناطیسی تنظیم‌شده دقیق‌تر که در نقاط بیشتری به شتاب‌دهنده وارد می‌شوند، و همچنین یک سیستم خنک‌کننده برودتی جدید. هدف این پروژه همچنین استفاده از قطعات قابل تعویض بیشتر و رویکرد ساخت و ساز است که می تواند هزینه ها را به میزان قابل توجهی کاهش دهد و در نهایت منجر به یک برخورد دهنده نسبتا ارزان و کوچک – حدود پنج مایل – شود که با این وجود می تواند محدودیت های شدید فیزیک ذرات را کشف کند.

پایدارتر کردن فیزیک بدنی بزرگ

با این حال، C پیشنهادی³ برخورد دهنده منابع زیادی را برای ساخت و راه اندازی می خواهد، بنابراین حامیان آن با در نظر گرفتن ردپای کربن پروژه های بزرگ فیزیک، به نگرانی های فزاینده پاسخ داده اند و از نحوه کار با خود شتاب دهنده شروع می کنند.

از نظر تاریخی، فیزیکدانان توجه زیادی به نحوه عملکرد شتاب دهنده ها، حداقل از نظر بازده انرژی نداشته اند. با این حال، تیم SLAC و استنفورد دریافتند که تغییرات ظریف، مانند تغییر ساختار پرتو ذرات و بهبود عملکرد کلیسترون‌هایی که میدان‌های الکترومغناطیسی را ایجاد می‌کنند که پرتو را هدایت می‌کنند، می‌تواند تفاوت ایجاد کند. روی هم رفته، این پیشرفت ها می توانند C را کاهش دهند³توان مورد نیاز از حدود 150 مگاوات تا شاید 77 مگاوات یا تقریباً نصف. ورنیری گفت: من از 50 درصد آن راضی خواهم بود.

از سوی دیگر، تیم دریافت که خود ساختار احتمالاً مسئول بیشتر ردپای کربن برای C است³– به ویژه هنگامی که جهان به سمت استفاده بیشتر از انرژی های تجدید پذیر تغییر می کند. محققان پیشنهاد می کنند که استفاده از مواد مختلف مانند اشکال مختلف بتن و همچنین توجه به نحوه تولید و حمل و نقل مواد می تواند به کاهش تاثیر گرمایش جهانی کمک کند. درجه سانتی گراد³ همچنین به طور قابل توجهی کوچکتر از سایر پیشنهادات شتاب دهنده است – فقط هشت کیلومتر طول – که مصرف کلی مواد را کاهش می دهد و به سازندگان اجازه می دهد مکان هایی را انتخاب کنند که می تواند ساخت و ساز را ساده و سرعت بخشد.

محققان همچنین محل C³ این پروژه بومی سازی می شود زیرا ممکن است بر ترکیب سوخت های فسیلی در مقابل انرژی های تجدیدپذیر که نیرو دهنده برخورددهنده است، یا به طور بالقوه ساخت یک مزرعه خورشیدی اختصاصی که به همراه یک سیستم ذخیره انرژی، نیازهای شتاب دهنده را پوشش می دهد، تأثیر بگذارد.

برخورد دهنده ها چگونه روی هم قرار می گیرند

در نهایت، تیم SLAC-Stanford به چگونگی C³ می توان آن را با دیگر پیشنهادات برخورددهنده آینده مقایسه کرد، و همچنین نحوه مقایسه برخورددهنده های خطی و دایره ای زمانی که هر برخورد دهنده اندازه گیری های مشابهی انجام می دهد.

بر اساس تجزیه و تحلیل آنها و مطالعات پایداری مشابه برای سایر شتاب دهنده ها، این تیم دریافتند که ساخت و ساز احتمالاً محرک اصلی ردپای کربن پروژه است، اما برخورد دهنده های دایره ای که قادر به اهداف فیزیک مشابه هستند، معمولاً انتشار گازهای گلخانه ای بالاتری با ساخت و ساز دارند. به طور مشابه، شتاب دهنده های کوتاهتر مانند C³ و پیشنهاد دیگر، برخورد دهنده خطی فشرده، پتانسیل گرمایش جهانی کمتری نسبت به برخورددهنده های طولانی تر دارد.

ورنیری در مورد مطالعه پایداری پروژه های فیزیکی گفت: «این یک زمینه جدید است، اما لازم است. یک بحث کاملاً جدید وجود دارد که حداقل سؤال ردپای کربن فیزیک ذرات را مطرح می کند.