Desde a descoberta do bóson de Higgs em 2012, os físicos querem construir novos colisores de partículas para compreender melhor as propriedades dessa partícula indescritível e investigar a física das partículas elementares em escalas de energia cada vez mais altas.
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O truque é que fazer isso exige energia – muita energia. Um colisor típico requer centenas de megawatts – o equivalente a dezenas de milhões de lâmpadas modernas – para funcionar. Isso sem falar da energia necessária para construir os dispositivos, e tudo isso resulta em uma coisa: muito dióxido de carbono e outros gases de efeito estufa.
Agora, pesquisadores do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia e da Universidade de Stanford pensaram em como fazer uma proposta, o Cool Copper Collider (C 3), mais eficiente em termos energéticos.
Para entender como fazer isso, eles consideraram três aspectos-chave que se aplicam a qualquer projeto de acelerador: como os cientistas operariam o colisor, como o próprio colisor é construído e até mesmo onde o colisor é construído – o que acaba tendo um impacto significativo, ainda que indireto, na pegada de carbono global do projeto.
“Ao discutir a grande ciência, agora é obrigatório pensar não apenas em termos de custos financeiros, mas também de impacto ambiental”, disse Caterina Vernieri, professora assistente do SLAC e uma das coautoras do novo artigo, publicado em PRX Energia.
Emilio Nanni, professor assistente do SLAC e outro coautor, concordou. “Como cientistas, todos esperamos inspirar o público e as gerações futuras não apenas através das nossas descobertas, mas também através das nossas ações”, disse Nanni. “Isso exige que consideremos tanto o impacto científico potencial quanto o impacto geral em nossa comunidade”. Tornar as instalações mais sustentáveis, disse ele, ajudará a alcançar ambos os objetivos.
Uma infinidade de opções
C3 é uma entre várias propostas diferentes para um acelerador de próxima geração capaz de sondar o Higgs e além, embora todos sigam um de dois designs básicos: aceleradores lineares, como C3 e o proposto Colisor Linear Internacional, e síncrotrons, ou futuros aceleradores circulares, como o Future Circular Collider ou o Circular Electron Positron Collider.
Cada um tem suas vantagens e desvantagens. Notavelmente, os síncrotrons podem recircular feixes de partículas, o que significa que podem coletar dados em muitos loops. No entanto, eles atingiram um limite, porque partículas carregadas como prótons e elétrons perdem energia quando seus caminhos são curvados em círculo, aumentando o consumo de energia. Os aceleradores lineares não apresentam o problema de perda de energia que lhes permite atingir maior energia e abrir a possibilidade para novas medições, mas utilizam o feixe apenas uma vez e para atingir taxas de dados mais elevadas precisam trabalhar com feixes intensos.
O C 3 visa resolver as limitações de comprimento versus energia da maioria dos aceleradores lineares com um novo design, incluindo campos eletromagnéticos adaptados com mais precisão alimentados no acelerador em mais pontos, bem como um novo sistema de resfriamento criogênico. O projeto também visa usar mais peças intercambiáveis e uma abordagem de construção que possa reduzir significativamente os custos, resultando em um colisor pequeno e de custo relativamente baixo – com cerca de oito quilômetros de comprimento – que poderia, no entanto, sondar as fronteiras extremas da física de partículas.
Tornando a grande física mais sustentável
Ainda assim, o colisor C 3 proposto exigiria muitos recursos para ser construído e operado, pelo que os seus proponentes abordaram uma preocupação crescente ao tomarem em consideração a pegada de carbono dos grandes projetos de física, começando pela forma como operariam o próprio acelerador.
Historicamente, os físicos não prestavam muita atenção à forma como operavam os aceleradores, pelo menos em termos de eficiência energética. A equipe do SLAC e de Stanford descobriu, no entanto, que mudanças sutis, como alterar a estrutura do feixe de partículas e fazer melhorias na operação dos clístrons, que criam os campos eletromagnéticos que impulsionam o feixe, poderiam fazer a diferença. No seu conjunto, estas melhorias poderiam reduzir as necessidades energéticas do C3 de cerca de 150 megawatts para talvez 77 megawatts, ou quase para metade. “Eu ficaria feliz com 50% disso”, disse Vernieri.
Por outro lado, concluiu a equipe, a própria construção será provavelmente responsável pela maior parte da pegada de carbono do C 3 – especialmente à medida que o mundo passa a utilizar mais energias renováveis. Os investigadores sugerem que a utilização de diferentes materiais, tais como diferentes formas de concreto, bem como a atenção à forma como os materiais são fabricados e transportados, poderia ajudar a diminuir o impacto do aquecimento global. O C 3 também é significativamente menor do que outras propostas de aceleradores – apenas oito quilômetros de comprimento – o que reduziria a utilização global de materiais e permitiria aos construtores selecionar locais que poderiam simplificar e acelerar a construção.
Os pesquisadores também consideraram onde o projeto C 3 estaria localizado, uma vez que isso poderia afetar a combinação de combustíveis fósseis versus energia renovável que alimentava o colisor, ou potencialmente construir um parque solar dedicado que, juntamente com um sistema de armazenamento de energia, cobriria a necessidade do acelerador.
Como os colisores se comparam
Finalmente, a equipe SLAC-Stanford analisou como o C 3 pode ser comparado com outras propostas futuras de colisores, bem como os colisores lineares e circulares se comparam, quando cada colisor realiza medições semelhantes.
Com base na sua análise e em estudos de sustentabilidade semelhantes para outros aceleradores, a equipe descobriu que a construção é provavelmente o principal impulsionador da pegada de carbono de um projeto, mas que colisores circulares capazes de objetivos físicos semelhantes teriam geralmente emissões mais elevadas relacionadas com a construção. Da mesma forma, aceleradores mais curtos como o C 3 e outra proposta, o Compact Linear Collider, teriam menor potencial de aquecimento global em comparação com os mais longos.
“É um campo tão novo”, disse Vernieri sobre o estudo da sustentabilidade de projetos de física, mas necessário. “Há uma discussão totalmente nova que coloca pelo menos a questão da pegada de carbono da física de partículas.”
Traduzido por Mateus Lynniker de Phys.Org
