CERN: فهم الجسيمات لبناء العالم الحديث

CERN كجذر للعلوم الحديثة

منظمة أبحاث الطاقة الذرية الأوروبية، أو CERN، هي واحدة من أهم المرافق في العالم لدراسة الجسيمات دون الذرية والفيزياء الأساسية.

هذا عمل هام، حيث إن الفيزياء الكمومية والنسبية كانت العلوم الأساسية وراء العديد من الابتكارات التكنولوجية الحديثة، بما في ذلك الكمبيوترات، الهواتف الخلوية، الليزر، الاتصالات السلكية واللاسلكية، الأقمار الصناعية، التصوير بالرنين المغناطيسي، لوحات الطاقة الشمسية، المجاهر المتقدمة، الطاقة النووية، وغيرها.

هذا لأن جميع هذه التكنولوجيات تتطلب فهمًا عميقًا لسلوك الذرات والإلكترونات والجسيمات الأخرى على أصغر نطاق. وهذه ليست مجرد نماذج مبسطة للإلكترونات المدارية للنواة. على سبيل المثال، حتى أبسط ذرة ممكنة، الهيدروجين، تتطلب معادلة معقدة لوصف كيفية سلوك إلكتروناتها بشكل حقيقي.

مصدر: وزارة الطاقة

كما أن CERN كانت مبادرة علمية دولية حقيقية من التي انبثقت العديد من الاكتشافات الأخرى، بما في ذلك الإنترنت نفسه.

أخيرًا، بناء وتشغيل وتحديث مرافق CERN كان محفزًا كبيرًا في تعزيز البحث والهندسة في العديد من المجالات العلمية المتقدمة مثل الموصلات الفائقة والمتحسسات والمجالات الكهرومغناطيسية شديدة القوة.

علم طموح منذ اليوم الأول

تأسست CERN في عام 1954 من قبل 12 دولة أوروبية، مع منحها الاسم من الاختصار الفرنسي “Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire“.

مصدر: ويكيبيديا

من غير المبالغة القول إن جزءًا كبيرًا من فيزياء الجسيمات الحديثة ولد في CERN، ولا سيما:

• اكتشاف البوزونات الضعيفة الحاملة ل 하나 من القوى الأساسية الأربعة، وحصل على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1984.
• إنشاء ذرات الهيدروجين المضادة لأول مرة.
• اكتشاف حالة جديدة من المادة، بلازما الكوارك-غلوون.
• جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1992 لماحث في CERN لاختراعه وتطويره لكاشفات الجسيمات.
• جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2013 لماحثي CERN لوصفهم وملاحظتهم لبوزون هيغز (المسؤول عن منح الجسيمات كتلتها).

مصدر: CERN

اليوم، يشارك CERN 25 دولة كأعضاء كاملين و 10 أعضاء منتسبين، وهو الخطوة الأولى قبل العضوية الكاملة المحتملة. بالإضافة إلى ذلك، هناك علاقة وثيقة مع 3 دول لها وضع مراقب (اليابان وروسيا والولايات المتحدة) والتعاون أو الاتصال العلمي مع hầu جميع دول العالم.

يemploys CERN مباشرة 3500 شخص، وأكبر مجموعة مكونة من العلماء والمهندسين، يليهم الفنيون، يتبعهم قادة البحوث وأقل من مائة فيزيائي بحث.

مصدر: CERN

بنية تحتية CERN

لم تكن إنجازات CERN ممكنة بدون الهندسة الفائقة التي أدخلت في بناء معجل الجسيمات وكاشفاته.

تعمل معجلات الجسيمات عن طريق تحريك الجسيمات في فراغ قوي، خالي من الهواء أو الغبار. المجالات الكهرومغناطيسية القوية والمجالات الكهربائية تسارع الجسيمات وتحتفظ بها في المعجل. يصطدم الجسيم المتسارع، أحيانًا عند 99.9% من سرعة الضوء (299 792 458 متر في الثانية / 186,000 ميل في الثانية)، إما بbeam آخر من الجسيمات أو هدف ثابت.

السرعة القصوى والطاقة في هذه التصادمات تسمح للعلماء بالفهم أكثر عن الطبيعة الأساسية لهذه الجسيمات.

مصدر: وزارة الطاقة

اليوم، المعجل الرئيسي لجسيمات CERN هو LHC (Large Hadron Collider)، الواقع في جنيف، سويسرا. LHC هو نفق تحت الأرض على عمق 175 مترًا (575 قدمًا)، يشكل دائرة بطول 27 كيلومترًا (17 ميلًا).

في المستقبل، قد يُغمر بمعجل أكبر يبلغ طوله 90-100 كم تحت بحيرة جنيف وكل مدينة (المزيد حول ذلك أدناه).

مصدر: Swisstopo

اليوم، بالإضافة إلى “الأساسي” LHC، تعمل CERN على 11 معجلًا آخر للجسيمات لأبحاث محددة على جسيمات أثقل، بروتونات، بلازما، دراسة النوى غير المستقرة، وغيرها. غالبًا ما تكمل هذه معجلات الجسيمات بعضها البعض، حيث “تغذي” الجسيمات المطلوبة إلى الآخرين في نظام معقد متشابك.

مصدر: CERN

المؤسسة لديها أيضًا 11 معجلًا للجسيمات وكاشفًا معطلًا بنيت منذ الخمسينيات.

تكنولوجيا CERN

LHC

نتجت موقع LHC تحت الأرض من مزيج من الأسباب العلمية والمالية. من الأرخص حفر نفقًا من شراء دائرة بطول 27 كيلومترًا من الأراضي السطحية، خاصة في منطقة جنيف المكلفة. كما أن طبقات الصخور تحمي المنشأة من الإشعاع الكوني والسطح.

مصدر: CERN

LHC هو معجل الجسيمات الأكثر قوة على الإطلاق. يستهلك، في المتوسط، 600 جيجاوات ساعة في السنة، حوالي نصف استهلاك الطاقة الكلي ل CERN البالغ 1.3 تيراوات ساعة. للنسبة، تستهلك فرنسا 500 تيراوات ساعة، والاتحاد الأوروبي 3400 تيراوات ساعة، والعالم 20,000 تيراوات ساعة.

يصنع LHC两个 حزمة جسيمات، كل منها يسافر قريبًا من سرعة الضوء، يصطدم ببعضهما البعض. يتم توجيهها وتحديد موقعها بواسطة 9593 مغناطيسًا فائق التوصيل يُبرَد بالهليوم السائل عند -271.3 درجة مئوية (-456.34 درجة فهرنهايت).

معظم استهلاك الطاقة للتشغيل يعود إلى المغناطيسات، سواء للتشغيل أو الطاقة المستخدمة لإنتاج كمية هائلة من الهليوم السائل.

أهداف LHC

أداء LHC أول تصادم في عام 2008 ومن المتوقع أن يُشغل حتى الأربعينيات. بعد جولة أولى تشمل اكتشاف بوزون هيغز، يخضع حاليًا لترقية وصيانة كبيرة لتحضير الجولة الثانية، والتي ستزيد من مستويات قوة LHC إلى 13 تيرا إلكترون فولت.

بعد اكتشاف بوزون هيغز، من المتوقع أن يساعد LHC على الإجابة على أسئلة أساسية حول الكون، بما في ذلك دور وطبيعة ما يسمى بالطاقة المظلمة والمادة المظلمة.

يجب أن توفر مستويات الطاقة القصوى أيضًا لنا رؤى حول المراحل الأولى للكون، في حالة “بلازما الكوارك-غلوون”.

ATLAS

مكمل رئيسي لـ LHS هو كاشف الجسيمات ATLAS. إنه أكبر كاشف جسيمات تم بناؤه على الإطلاق، بطول 46 مترًا (150 قدمًا) و直径 25 مترًا (82 قدمًا).

تحتوي الكاشفات على أكثر من 100 مليون قناة إلكترونية حساسة لتسجيل الجسيمات الناتجة عن التصادمات.

يحتوي على العديد من الكاشفات الفرعية، كل منها يلعب دورًا منفصلًا، للكشف في نفس الوقت على الفوتونات والإلكترونات والميونات والبيونات، وغيرها.

مصدر: ATLAS

5900+ فيزيائي ومهندس وفني وطالب وإداري عملوا في بناء وتشغيل ATLAS، يمثلون 180 مؤسسة علمية من 40+ دولة.

CERN – التكنولوجيا المولدة

اختراع الإنترنت

ربما كان التكنولوجيا الأكثر تأثيرًا التي خرجت من CERN هي الإنترنت؛ حقًا.

خلق CERN بروتوكول TCP/IP لشبكته الداخلية الخاصة، وفكرة الويب العالمية تم اختراعها في CERN بواسطة تيم برنرز لي، الذي صنع أول موقع ويب (اتبع الرابط لمعرفة كيف كان يبدو).

كان من المفترض في البداية أنه سيكون وسيلة للباحثين لتبادل البيانات والأفكار بسهولة أكبر.

مصدر: CERN

في عام 1993، قدم CERN برنامج الويب العالمي إلى العالم كملكية فكرية عامة. كما كان رائدًا في الحوسبة الشبكية، عملية تنفيذ الحسابات من خلال عدة حواسيب متصلة بالويب.

ربما يكون أحد أكبر مساهمات CERN، منظمة أبحاث معجل الجسيمات، هو تعزيز تبادل جميع المعارف والبيانات والبرمجيات بحرية، بدلاً من تجربة فيزياء كمومية.

التطبيقات الطبية

تطبيق واحد لأبحاث CERN هو الفهم العميق لمعجلات الجسيمات. يتم استخدام معجلات الجسيمات الصغيرة الآن بشكل روتيني في المستشفيات لعلاج الإشعاع في علاج السرطان.

مساهمة إضافية في علاج السرطان هي في مجال الطب النووي، أو استخدام النيوكليوتيدات النادرة لقتل خلايا السرطان.

منذ عام 2017، أنتجت البنية التحتية CERN-MEDICIS نوكليوتيدات إشعاعية مبتكرة خصيصًا للتطبيقات الطبية وقدمتها للأطباء والباحثين الذين يمكنهم تقييم ملاءمتها للعلاجات المتقدمة والتصوير.

بعض من هذه النيوكليوتيدات الإشعاعية يتم إنتاجها بشكل فريد في CERN.

التحليل الطبي هو مجال آخر حيث الفيزياء الجسيمية حاسمة، من الأشعة السينية إلى التصوير بالرنين المغناطيسي والتصوير المقطعي المحوسب (CT).

عدة تحسينات في علاج الإشعاع الهادروني، وكذلك التصوير الطبي جاءت مباشرة من المستشعرات التي تم تطويرها لكاشف الجسيمات ATLAS.

خلال جائحة كوفيد، طور CERN أداة مفتوحة المصدر (أداة تقييم مخاطر كوفيد الجوية – CARA) لنمذجة تركيز الفيروس في المساحات المغلقة مع معايير متغيرة، مثل حجم الغرفة ووقت القضاء في الغرفة وارتداء الكمامة وعدد الأشخاص والتهوية.

الطاقة والتكنولوجيا الخضراء

تعاون CERN مع شركة إيرباص بإحضار خبرته إلى كوابل فائقة التوصيل لطائرات потенسيالية أخف، أو حتى طائرات كهربائية.

خبرة المؤسسة في اختبار المواد عند درجات حرارة منخفضة بشكل استثنائي مفيدة لاختبار إمكانية الهيدروجين في نقل الطائرات.

CERN تعاون أيضًا بشكل وثيق مع ITER، أكبر مشروع اندماج نووي في العالم، الذي قد يقدم مصدرًا لا نهائيًا من الطاقة النظيفة إذا نجح. بالنظر إلى أن الاندماج النووي يعتمد في الغالب على مغناطيسات فائقة القوة والمواد الفائقة التوصيل، فإن التطابق مع خبرة CERN واضح.

هذا الفهم العميق للفيزياء سيكون muhtemel حاسمًا لتحسين أداء الكمبيوتر وفتح إمكانيات جديدة للعلوم المواد. ومن خلال القيام بذلك، سيسمح للبشر أن يصبحوا حضارة متقدمة حقًا قادرة على التنقل في النجوم، وخلق ذكاء اصطناعي حقيقي، أو الاستمتاع بالطاقة الوفيرة غير المحدودة.

معالجة البيانات

عندما يتم الكشف عن الجسيمات، يكون تدفق البيانات الناتج في أجزاء من الثانية هائلًا. أكثر مشكلة، لا يمكن تخزين هذه 40 تيرابايت في الثانية لاحقًا.

هذا أدى إلى أن يصبح علماء CERN خبراء في تصميم الخوارزميات القادرة على تحديد البيانات الأكثر إثارة للاهتمام على الفور.

CERN تعاون مع شركات مثل CEVA (المستشعرات) أو ABB Motors (المحركات) لاستخدام هذه الخوارزميات لتحسين استهلاك الطاقة لمرافق و معدات CERN قيد التطوير.

هذا أيضًا يستخدمه شركة السلامة السيارات Zenseact لتطوير أنظمة القيادة الذكية منخفضة التأخير.

مبادئ مماثلة يتم نشرها على الطائرات بدون طيار وأنظمة الروبوتات بشكل عام، ولا سيما مع شركة Terabee.

الفضاء

لدي CERN خبرة طويلة الأمد في التعامل مع أشكال شديدة والغامضة من الإشعاع الناتج عن معداته وتجاربها.

يمكن استغلال هذا في التطبيقات العملية لحماية الإشعاع للأقمار الصناعية وال تجارب المأهولة في الفضاء، غالبًا في сотруд مع وكالة الفضاء الأوروبية (ESA).

على سبيل المثال، لدى CERN التثبيت الوحيد على الأرض القادر على تكرار بيئة الإشعاع القاسية لكوكب المشتري.

تطبيقات أخرى

متطلبات CERN لجعل جميع كاشفات الجسيمات وأنظمتها في التزامن الكامل حتى النانوثانية جعلتها خبيرًا في هذا المجال أيضًا.

المعايير المفتوحة “المولدة في CERN” لتنسيق الوقت يمكن استخدامها في الاتصالات السلكية واللاسلكية والأسواق المالية والشبكات الكمومية. على سبيل المثال، يستخدم مزود التداول Deutsche Börse بنية التحتية لنظام التداول.

التعليم

CERN تعمل أيضًا كمورد تعليمي للعلوم المتقدمة والفيزياء.

هذا يشمل تقديم نموذج ثلاثي الأبعاد قابل للطباعة من معداته، وكرتون توضيحي وكتب كوميكس، ومواد دراسية للمعلمين مجانًا.

في نفس الوقت، يوفر إطار مكتبة رقمية مرن ومتقدم ومفتوح المصدر، يستخدم حاليًا من قبل المكتبات والجامعات والمؤسسات العالمية.

يحتفظ CERN بأكبر مستودع أبحاث عام في العالم، يستند إلى نفس إطار المكتبة الرقمية. يسمح هذا المستودع البسيط للم علماء من أي مجال للحفاظ على مخرجات أبحاثهم ومشاركتها.

التفاني ل CERN في مشاركة المعرفة يظهر أيضًا في مشتقته Orvium، وهي بنية نشر مفتوحة وموزعة للمنشورات العلمية.

أخيرًا، يوفر CERN جولات تعليمية للمرافق، ومتحفًا محليًا، وعروض فنية.

بنية تحتية CERN المستقبلية والإنجازات

اللومينوسي لHC (HL–LHC)

في حين يعمل باحثو و فنيو CERN بجد للاستفادة القصوى من التثبيتات الحالية، فإنهم يبحثون في نفس الوقت عن الخطوات التالية.

الأولى سوف تكون “اللومينوسي لHC”، أو HL–LHC، وهو ترقية يهدف إلى زيادة لمعان LHC بعشر مرات. على سبيل المثال، سوف ينتج HL–LHC على الأقل 15 مليون بوزون هيغز في السنة، مقارنة مع حوالي ثلاثة ملايين من LHC في عام 2017.

مصدر: CERN

ستشمل الترقية تحسينات في المغناطيسات وروابط الموصلات الفائقة والحماية المُحسّنة والمعجلات الأفضل.

يجب أن يصبح HL–LHC تشغيليًا في منتصف الثلاثينيات، حيث بدأت الأعمال الهندسية في أبريل 2018، و استلمت أول مغناطيساتها في ديسمبر 2024.

مُعجل دائري مستقبلي (FCC)

بعد LHC، من المتوقع أن يكون تصميمًا هائلًا بطول 90 كم هو الخطوة التالية لمعجلات الجسيمات، يسمى مُعجل دائري مستقبلي (FFC). سوف يُبنى على عمق متوسط يبلغ 200 متر (656 قدم).

ال تجارب الأولى سوف تستمر لمدة 15 عامًا، تبدأ في منتصف الأربعينيات مع FCC-ee، وهو معجل إلكترون-بوزيترون. سوف يختلف استهلاك الطاقة FCC-ee بين 1 و 1.8 تيراوات ساعة في السنة.

آلة أخرى، FCC-hh، وهو معجل بروتون-بروتون، سوف يتم تركيبه في نفس النفق وسيبدأ في السبعينيات وسيستمر لمدة 25 عامًا.

من المتوقع أن يكلف المشروع ككل حوالي 15 مليار فرنك سويسري، موزعة على 15 عامًا. من المتوقع إكمال دراسة الجدوى النهائية في عام 2025، مع قرار نهائي من لجنة CERN في عام 2027-2028 وبدء البناء في الثلاثينيات.

FCC قد يبحث عن جسيمات متوقعة من النظريات التي تذهب أبعد نموذج معياري لفيزياء الجسيمات، مما سوف يتطلب كاشفات أكثر حساسية أو تسريع أكثر قوة.

هذا الفهم العميق للفيزياء سوف يكون muhtemel حاسمًا لتحسين أداء الكمبيوتر وفتح إمكانيات جديدة للعلوم المواد. ومن خلال القيام بذلك، سيسمح للبشر أن يصبحوا حضارة متقدمة حقًا قادرة على التنقل في النجوم، وخلق ذكاء اصطناعي حقيقي، أو الاستمتاع بالطاقة الوفيرة غير المحدودة.

شركة مرتبطة بـ CERN

CEVA

CEVA هي شركة مستشعرات وشركاء مع CERN لاستخدام خوارزمية المؤسسة لتحسين كفاءة مستشعراتها واستهلاك الطاقة. حلول CEVA و IP (200 براءة اختراع) يتم دمجها في 18 مليار جهاز.

تستخدم حلول الشركة من قبل العديد من العلامات التجارية الرائدة في الإلكترونيات في جميع أنحاء العالم.

مصدر: CEVA

التطبيق الرئيسي للتعاون بين CEVA و CERN هو “Edge AI”، أو تطبيقات الذكاء الاصطناعي التي يتم تطبيقها على الأجهزة بعيدًا عن مراكز البيانات (السحابة) وأقرب إلى المستهلكين (الحد).

قد لا يكون من المفاجئ رؤية خوارزميات فيزياء الجسيمات يتم إعادة استخدامها في تطبيقات الذكاء الاصطناعي، حيث تم استخدام الشبكات العصبية، على سبيل المثال، في العثور على جسيم بوزون هيغز. يحتاج تحليل بيانات معجل الجسيمات إلى القيام به على الموقع بدلاً من في السحابة، بسبب حجم هائل من البيانات المنتجة بسرعة.

ساعد Ceva في إنشاء خوارزميات ضغط جديدة يمكن استخدامها في تجارب مستقبلية وسيتم دمج هذه التكنولوجيا الجديدة في منتجاتها.

“بفضل تعاوننا مع CERN، تمكنا من تطوير نهج مبتكر يسمح للشبكات بالتشغيل بسرعة تصل إلى 15 مرة مقارنة بنموذج 16 بت.

هذا هو تحسين السرعة وخفض استهلاك الطاقة بنسبة تصل إلى 90% مع الحفاظ على دقة مماثلة.”
أوليا سيركين – باحث رئيسي في الذكاء الاصطناعي في Ceva
هذا هو واحد من التقدم التكنولوجي لشركة CEVA، مع الشركة النشطة في الاتصالات اللاسلكية والمستشعرات (رؤية، صوت، حركة) و خوارزميات الشبكات العصبية.

مصدر: CEVA

يستفيد CEVA بشكل كبير من الاتجاه المجمع للاتصالات اللاسلكية 5G (بما في ذلك الأقمار الصناعية 5G) والإنترنت من الأشياء (IoT) مع حلول الذكاء الاصطناعي المدمجة، سواء لأغراض صناعية أو منزلي.

مصدر: Ruije

كشركة برمجيات و IP، CEVA معروفة جيدًا وتُغفل غالبًا من قبل المستثمرين المهتمين بقطاعات IoT و 5G.

يمكن أن تكون شركة مثيرة للاهتمام على حافة التقدم التكنولوجي في معالجة البيانات والذكاء الاصطناعي على الحافة، كما هو موضح في اختيار CERN لها لمساعدته في بعض أكثر تحليلات البيانات تعقيدًا التي قام بها الإنسان.