Исследования в физике элементарных частиц требуют больших энергозатрат и тем самым опосредованно влияют на климат. Как оптимизировать энергопотребление и снизить воздействие фундаментальных исследований на окружающую среду без ущерба для решаемых научных задач — вопросы не праздные и совсем не простые. И хотя они поднимались и раньше, в последний год наблюдается рост публикаций и мероприятий, посвященных энергетическим и природоохранным аспектам исследований в физике элементарных частиц.
Так, на днях завершилась конференция Sustainable HEP, на которой будущее физики частиц обсуждалось в контексте устойчивого развития. Инициатива Sustainability in HECAP готовит подробный документ о текущей ситуации в физике частиц и астрофизике. А в недавней публикации впервые проводится сравнение пяти проектов будущей хиггсовской фабрики по энергопотреблению и по выбросам парниковых газов в расчете на один рожденный бозон Хиггса. В ближайшие годы стоит ожидать рост публикаций и мероприятий такой направленности.
Переход на энергосберегающие технологии, сокращение выбросов парниковых газов, подсчет углеродного следа и, более широко, поиск новых возможностей минимизировать воздействие человека на окружающую среду — все эти вопросы не только стали неотъемлемой частью новых технологий, но и плотно вошли в повседневную жизнь. Прогресс — прогрессом, но без оглядки на природоохранные аспекты действовать уже нельзя. Климатическая повестка не обошла стороной и физику элементарных частиц. И если раньше упоминание энергосберегающих технологий и влияние коллайдерных экспериментов на климат было эпизодическим, то сейчас этой тематике посвящается все больше публикаций и даже проводятся отдельные рабочие совещания.
Экспериментальная физика частиц — очень энергоемкая область фундаментальных исследований. Необходимость оптимизации энергопотребления вызвана не только климатическими соображениями, но и бюджетными ограничениями. Конечно, при проектировании новых коллайдеров всегда ищутся решения, максимально эффективные с точки зрения энергопотребления. Скажем, работа Большого адронного коллайдера была бы просто немыслима без сверхпроводящих магнитов — слишком велики были бы потери энергии и операционные расходы при работе с обычными проводниками. ЦЕРН делает и новые шаги в этом направлении; они упомянуты в недавнем тематическом отчете ЦЕРНа, а также в популярной заметке Less, better, recover в издании CERN Courier. Тем не менее, энергопотребление ЦЕРНа летом, когда LHC работает на полных оборотах, огромно и достигает пиковой мощности 200 мегаватт. В зимние месяцы, когда стоимость электричества существенно выше, потребление электроэнергии падает до 80 мегаватт — во многом из-за того, что LHC и другие ускорители останавливаются на зиму.
Энергетическая оптимизация ЦЕРНа касается не только непосредственно научной аппаратуры, но и всей инфраструктуры центра, начиная с банального утепления помещений. Параллельно с этим ЦЕРН изучает возможность частично перейти на солнечную энергию и либо вырабатывать ее у себя, оборудовав сотни церновских корпусов солнечными панелями, либо получать ее по проектируемой подводной линии электропередач от солнечных электростанций северной Африки (рис. 2).
Надо добавить, что в этом году ситуация усугубляется и надвигающимся энергетическим кризисом в Европе, вызванным резко взлетевшими ценами на электроэнергию. Так, в своем недавнем интервью газете The Wall Street Journal, Серж Клоде (Serge Claudet), председатель группы по координации энергоснабжения ЦЕРНа, рассказал, что лаборатория разрабатывает план, в соответствии с которым работа некоторых ускорителей, включая и LHC, может быть приостановлена в период пикового потребления электроэнергии во Франции. Аналогичные трудности встают и перед другими исследовательскими центрами Европы (см. заметку Europe’s energy crisis hits science в журнале Science).
Электроэнергия на то, чтобы «грызть гранит мироздания», тратится не только в ЦЕРНе. Распределенная компьютерная сеть GRID, хранящая и перебрасывающая сотни петабайт коллайдерных данных, сотни вычислительных центров, круглосуточно работающих над анализом столкновений или выполняющих моделирование, — все это тоже требует энергии и оставляет климатический след. А значит, следует задуматься и о том, как оптимизировать ресурсоемкие вычисления для физики частиц. Вопрос не нов: еще в 2010-х годах прошла серия рабочих совещаний Energy for Sustainable Science at Research Infrastructures, посвященных оптимизации энергопотребления крупных исследовательских центров.
Климатические и природоохранные аспекты не исчерпываются одним лишь энергопотреблением. Например, ЦЕРН ведет и публично выкладывает статистику по выбросам парниковых газов и прочих летучих соединений, по использованию воды, по переработке мусора и по другим аспектам работы центра. Наконец, регулярные — кто-то скажет, избыточные — перелеты физиков для научных визитов и участия в конференциях тоже представляют собой предмет для обсуждения. Тот же ЦЕРН ежегодно посещают десятки тысяч ученых из самых разных уголков мира. Два года пандемии показали, что некоторые форматы совещаний и научного общения можно перенести в онлайн, но, разумеется, не все, и поиск баланса с учетом всех неопределенностей совершенно не очевиден.
Необходимость обсудить широким экспертным сообществом, насколько все эти вопросы серьезны и что тут можно предпринять, побудила физиков организовать в прошлом году первое рабочее совещание Sustainable HEP, что можно расшифровать как «Будущее физики частиц в русле устойчивого развития». На днях, с 5 по 7 сентября, состоялось уже второе совещание из этой серии. Обе встречи прошли онлайн и собрали по несколько сотен экспертов разных профилей. Все материалы презентаций обеих встреч доступны на страницах с расписанием мероприятий (Sustainable HEP, Sustainable HEP — 2).
В марте 2022 года появилась публикация Climate impacts of particle physics с кратким обзором текущей климатической ситуации в физике частиц и рекомендациями, по крайней мере, для физиков из США. Параллельно группа неравнодушных ученых запустила инициативу Sustainability in HECAP для поиска возможностей минимизации климатического воздействия исследований в физике частиц и астрофизике. В настоящее время коллектив авторов готовит документ, фиксирующий положение дел и вырабатывающий рекомендации. Его нынешняя версия от 6 сентября насчитывает уже почти 100 страниц текста и доступна на сайте инициативы.
Наконец, публикуются исследования и влияния конкретных научных установок на климат. В статье The carbon footprint of proposed e+e− Higgs factories, появившейся в конце августа в архиве электронных препринтов, обсуждается углеродный след от хиггсовской фабрики — будущего электрон-позитронного коллайдера, заточенного под изучение бозона Хиггса (см. Физики обсуждают варианты «хиггсовской фабрики», «Элементы», 19.12.2013). На сегодня имеется пять проектов разной степени проработанности, которые опираются на различающиеся технологии; какой вариант будет реализован — пока не решено. Авторы публикации, взяв технические данные и ожидаемую научную отдачу, попробовали сравнить пять проектов друг с другом по двум величинам: энергопотреблению и углеродному следу в расчете на один бозон Хиггса, рожденный на коллайдере (рис. 3). Оценки показывают, что лидером по обоим параметрам является церновский проект циклического коллайдера FCC-ee