المشاريع الضخمة
CERN: فهم الجسيمات لبناء العالم الحديث
CERN كجذر للعلوم الحديثة
The European Organization for Nuclear Research, or CERN, has been one of the most important facilities in the world for the study of subatomic particles and fundamental physics.
هذا عمل مهم، حيث إن الفيزياء الكمومية والنسبية كانت العلوم الأساسية وراء العديد، إن ليس معظم، الابتكارات التكنولوجية للعالم الحديث، بما في ذلك الحواسيب، الهواتف المحمولة، الليزر، الاتصالات، الأقمار الصناعية، التصوير بالرنين المغناطيسي، الألواح الشمسية، المجاهر المتقدمة، الطاقة النووية، إلخ.
ذلك لأن جميع هذه التقنيات تتطلب فهماً عميقاً لسلوك الذرات والإلكترونات والجسيمات الأخرى على أصغر مقياس. وهذه ليست بديهية، فهي تتجاوز النموذج المبسط للإلكترونات التي تدور حول نواة الذرة. على سبيل المثال، حتى أبسط ذرة ممكنة، الهيدروجين، تتطلب معادلة معقدة لوصف سلوك إلكتروناتها بدقة.
المصدر: Department of Energy
كان CERN أيضاً مبادرة علمية عالمية ودولية حقيقية، انبثقت منها العديد من الاكتشافات الأخرى، بما في ذلك الإنترنت نفسه.
أخيراً، فإن بناء وتشغيل وتحديث مرافق CERN كان دافعاً رئيسياً لتعزيز البحث والهندسة في العديد من المجالات العلمية المتقدمة مثل الموصلات الفائقة، وأجهزة الاستشعار، والليزر والمغناطيسات فائقة القوة.
علوم طموحة منذ اليوم الأول
CERN was founded in 1954 by 12 European countries, with the French language acronym “Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire” giving it its name.
المصدر: Wikipedia
It would not be an exaggeration to say that a large part of modern particle physics was born in CERN, notably:
- اكتشاف البوزونات الضعيفة التي تحمل أحد القوى الأربعة الأساسية، وقد حاز على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1984.
- إنشاء أول ذرات مضادة للهيدروجين.
- اكتشاف حالة جديدة من المادة، بلازما الكوارك-غلوون.
- جائزة نوبل في الفيزياء عام 1992 لأحد باحثي CERN لاختراعه وتطويره لكواشف الجسيمات.
- جائزة نوبل في الفيزياء عام 2013 لبحّاثي CERN لوصفهم وملاحظتهم لجسيمات هيغز (المسؤولة عن إعطاء الجسيمات كتلتها).
المصدر: CERN
اليوم، يضم CERN 25 دولة كأعضاء كاملين و10 أعضاء مشاركين، وهو الخطوة الأولى قبل الانضمام الكامل المحتمل. يجب إضافة إلى ذلك العلاقة الوثيقة مع 3 دول ذات وضع مراقب (اليابان، روسيا، الولايات المتحدة) والتعاون أو الاتصال العلمي مع تقريباً كل دولة على الأرض.
يوظف CERN مباشرة 3,500 شخص، أكبر مجموعة منهم من العلماء والمهندسين، يليهم الفنيون، ويتبع ذلك ما يقرب من مئة فيزيائي بحثي.
المصدر: CERN
بنى تحتية لـ CERN
None of the CERN’s achievements would have been possible without the world-class engineering that went into building its particle accelerator and detectors.
تعمل مسرعات الجسيمات عن طريق تحريك الجسيمات في فراغ قوي خالٍ من أي هواء أو غبار. تقوم المغناطيسات الكهربائية القوية والحقول الكهربائية بتسريع الجسيمات وإبقائها محصورة داخل المسرع. الجسيم المتسارع، أحياناً يصل إلى 99.9% من سرعة الضوء (299 792 458 مترًا في الثانية / 186 000 ميل في الثانية)، يصطدم إما بحزمة جسيمات أخرى أو بهدف ثابت.
تتيح السرعة والطاقة الهائلة في هذه التصادمات للعلماء فهمًا أعمق للطبيعة الأساسية لهذه الجسيمات.
المصدر: Department of Energy
اليوم، المسرع الجسيمي الرئيسي لـ CERN هو LHC (المصادم الهادروني الكبير)، الواقع في جنيف، سويسرا. يُعد LHC نفقًا تحت الأرض بعمق يصل إلى 175 مترًا (575 قدمًا)، ويشكل دائرة بطول 27 كيلومترًا (17 ميلًا) في محيطها.
في المستقبل، قد يُقارن بحجم أصغر مقارنةً بمسرع أكبر يتراوح طوله بين 90-100 كيلومتر يمر تحت بحيرة جنيف وحول المدينة (المزيد عن ذلك أدناه).
المصدر: Swisstopo
اليوم، بالإضافة إلى الـ LHC “الرئيسي”، يدير CERN 11 مسرعًا جسيميًا آخر لأغراض بحثية محددة على جسيمات أثقل، البروتونات، البلازما، دراسة النوى غير المستقرة، إلخ. غالبًا ما تكمل هذه المسرعات بعضها البعض، حيث تُغذِي العديد منها الجسيمات المطلوبة إلى الأخرى في نظام معقد مترابط.
المصدر: CERN
كما أن المؤسسة لديها ما لا يقل عن 11 مسرعًا وجهاز تصادم مُهمل تم بناؤها منذ خمسينيات القرن الماضي.
تقنية CERN
LHC
نتج موقع LHC العميق تحت الأرض عن مزيج من الأسباب العلمية والمالية. من الأرخص حفر نفق بدلاً من الحصول على دائرة بقطر 27 كيلومترًا من الأرض السطحية، خاصةً في منطقة جنيف المكلفة. كما أن طبقات الصخور تحمي المرفق من الإشعاع الكوني وسطح الأرض.
المصدر: CERN
يُعد LHC أقوى مسرع جسيمات تم بناؤه على الإطلاق. يستهلك، في المتوسط، 600 جيجاواط ساعة سنويًا، أي حوالي نصف إجمالي استهلاك الطاقة لـ CERN البالغ 1.3 تيراواط ساعة. وللتوضيح، تستهلك فرنسا بأكملها 500 تيراواط ساعة، والاتحاد الأوروبي 3400 تيراواط ساعة، والعالم 20 000 تيراواط ساعة.
ينتج LHC حزمتي جسيمات، كل منهما تسير بالقرب من سرعة الضوء، لتتصادم مع بعضها البعض. يتم توجيهها وتحصينها بواسطة 9593 مغناطيسًا كهربائيًا فائق التوصيل مُبرَّد بالهيليوم السائل عند -271.3°C (-456.34°F).
تعود معظم استهلاك الطاقة لتشغيل LHC إلى المغناطيسات الكهربائية، سواء لتشغيلها أو للطاقة المطلوبة لإنتاج هذه الكمية الضخمة من الهيليوم السائل.
أهداف LHC
أجرى LHC أول تصادم له في عام 2008 ومن المتوقع أن يعمل حتى الأربعينيات من القرن الحالي. بعد الجولة الأولى التي شملت اكتشاف جسيم هيغز، يجري الآن ترقية وصيانة ضخمة للتحضير للجولة الثانية، التي ستزيد مستويات طاقة LHC إلى تصادمات 13 تيرا إلكترون فولت (TeV).
بعد اكتشاف جسيم هيغز، من المتوقع أن يساعد LHC في الإجابة على أسئلة أساسية حول الكون، بما في ذلك دور وطبيعة ما يُسمى بالطاقة المظلمة والمادة المظلمة.
يجب أن توفر مستويات الطاقة القصوى التي تم الوصول إليها أيضًا رؤى حول المرحلة الأولى من الكون، في حالة “بلازما الكوارك-غلوون”.
ATLAS
تكملة رئيسية لـ LHC هي كاشف الجسيمات ATLAS. إنه أكبر كاشف جسيمات تم بناؤه على الإطلاق، بطول 46 مترًا (150 قدمًا) وقطر 25 مترًا (82 قدمًا).
تحتوي الكواشف على أكثر من 100 مليون قناة إلكترونية حساسة لتسجيل الجسيمات الناتجة عن التصادمات.
تحتوي على العديد من الكواشف الفرعية، كل منها يلعب دورًا منفصلاً، للكشف في الوقت نفسه عن الفوتونات، الإلكترونات، الميونات، البايونات، إلخ.
المصدر: ATLAS
شارك أكثر من 5900 فيزيائي، مهندس، فني، طالب، وإداري في بناء وتشغيل ATLAS، ممثلين عن 180 مؤسسة علمية من أكثر من 40 دولة.
تقنيات وُلدت من CERN
كل هذه الكيلومترات من مسرعات الجسيمات قدمت للإنسانية الكثير من التكنولوجيا المفيدة على مر الزمن.
اختراع الإنترنت
ربما أكثر تقنية ذات تأثير خرجت من CERN هي الإنترنت؛ حقًا.
أنشأ CERN بروتوكول TCP/IP لشبكته الداخلية، وتم اختراع مفهوم الشبكة العالمية (World Wide Web) في CERN بواسطة تيم برنرز-لي، الذي أنشأ أول موقع ويب على الإطلاق (اتبع الرابط لرؤية شكله).
كان يُنظر إليه في البداية كوسيلة للباحثين لتبادل البيانات والأفكار بسهولة أكبر.
المصدر: CERN
في عام 1993، قدم CERN برنامج الويب العالمي (World Wide Web) للعالم كملكية فكرية في المجال العام. كما كان رائدًا في الحوسبة الشبكية (grid computing)، وهي عملية إجراء حسابات عبر عدة حواسيب متصلة بالإنترنت.
لذا ربما بطريقة متناقضة، كان أحد أعظم مساهمات CERN، منظمة أبحاث مسرعات الجسيمات، هو تعزيز التبادل الحر لجميع المعرفة والبيانات والبرمجيات، بدلاً من مجرد تجربة في الفيزياء الكمومية.
التطبيقات الطبية
إحدى تطبيقات أبحاث CERN هي الفهم الأعمق لمسرعات الجسيمات. تُستخدم الآن المسرعات الصغيرة الحجم بشكل روتيني في المستشفيات للعلاج الإشعاعي في علاج السرطان. جعل البحث المستمر منها أكثر كفاءة، أصغر حجمًا، وأرخص مع مرور الوقت.
مساهمة إضافية في علاج السرطان هي في مجال الطب النووي، أو استخدام النظائر النادرة لقتل خلايا السرطان.
التصوير الطبي هو مجال آخر حيث الفيزياء الجسيمية حاسمة، من الأشعة السينية إلى التصوير بالرنين المغناطيسي، والمسح المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET)، والتصوير المقطعي المحوسب (CT).
عدة تحسينات في العلاج الإشعاعي بالهادرونات، وكذلك التصوير الطبي، جاءت مباشرة من المستشعرات التي تم تطويرها لكاشف الجسيمات ATLAS.
خلال جائحة كوفيد، طوّر CERN أداة مفتوحة المصدر (أداة تقييم خطر انتشار الفيروس في الهواء – CARA) لنمذجة تركيز الفيروس في الأماكن المغلقة مع معايير متغيرة، مثل حجم الغرفة، الوقت المستغرق داخل الغرفة، ارتداء القناع، عدد الأشخاص، والتهوية.
الطاقة والتقنية الخضراء
تعاون CERN مع شركة إيرباص من خلال تقديم خبرتها في الكابلات الفائقة التوصيل للطائرات الأخف وزنًا، أو حتى الطائرات الكهربائية.
خبرة المؤسسة في اختبار المواد عند درجات حرارة منخفضة للغاية مفيدة أيضًا لاختبار إمكانات الهيدروجين في نقل الطائرات.
يتعاون CERN أيضًا بشكل وثيق مع ITER، أكبر مشروع اندماج نووي في العالم، والذي قد يوفر إمدادًا غير محدود من الطاقة النظيفة إذا نجح. نظرًا لأن الاندماج النووي يعتمد في الغالب على مغناطيسات فائقة القوة ومواد فائقة التوصيل، فإن التداخل مع خبرة CERN واضح.
معالجة البيانات
عند اكتشاف الجسيمات، يكون تدفق البيانات المتولد في ميكروثوانٍ هائلًا. والأكثر إشكاليةً، أن 40 تيرابايت في الثانية لا يمكن تخزينها للمعالجة لاحقًا.
أدى ذلك إلى أن يصبح علماء CERN خبراء في تصميم خوارزميات قادرة على تحديد أي البيانات هي الأكثر أهمية في الوقت الفعلي.
يتعاون CERN مع شركات مثل CEVA (أجهزة الاستشعار) أو ABB Motors لاستخدام هذه الخوارزميات لتحسين استهلاك الطاقة في مرافق ومعدات CERN قيد التطوير.
يُستخدم ذلك أيضًا من قبل شركة سلامة السيارات Zenseact لتطوير أنظمة قيادة ذاتية منخفضة الكمون.
تُطبق نفس المبادئ على الطائرات بدون طيار وأنظمة الروبوتات بشكل عام، لا سيما مع الشركة Terabee.
الفضاء الجوي
يمتلك CERN خبرة طويلة الأمد في التعامل مع أشكال الإشعاع المكثفة وأحيانًا الغريبة التي تنتجها أجهزته وتجاربها.
يمكن الاستفادة من ذلك في تطبيقات عملية لتقوية دروع الإشعاع للأقمار الصناعية والتجارب المأهولة في الفضاء، غالبًا بالتعاون مع وكالة الفضاء الأوروبية (ESA).
على سبيل المثال، يمتلك CERN التركيب الوحيد على الأرض القادر على تكرار البيئة الإشعاعية القاسية لكوكب المشتري.
تطبيقات أخرى
متطلبات CERN لضمان تزامن جميع كواشفه وأنظمته الجسيمية بدقة تصل إلى النانوثانية جعلته خبيرًا في هذا المجال أيضًا.
يمكن استخدام معايير التزامن الزمني “المولودة من CERN” المفتوحة المصدر في الاتصالات، والأسواق المالية، والشبكات الكمومية. على سبيل المثال، يستخدم مزود التداول Deutsche Börse هذه المعايير في بنية نظام التداول الخاص بهم.
التعليم
يعمل CERN أيضًا كمورد تعليمي للعلوم المتقدمة والفيزياء.
يشمل ذلك توفير نموذج قابل للطباعة ثلاثية الأبعاد لمعداته، ورسوم توضيحية وكتب هزلية، ومواد صفية للمعلمين مجانًا.
وبالتوازي، يقدم إطار مكتبة رقمية مرن وعالي الأداء ومفتوح المصدر مجانًا، يُستخدم اليوم من قبل المكتبات والجامعات والمؤسسات العالمية.
يحافظ CERN على أكبر مستودع بحث عام في العالم، مبني على نفس إطار المكتبة الرقمية. يتيح هذا المستودع سهل الاستخدام للعلماء من أي مجال حفظ ومشاركة نتائج أبحاثهم.
تظهر التزام CERN بمشاركة المعرفة أيضًا في مشروعه الفرعي Orvium، وهو بنية نشر للمنشورات العلمية المفتوحة المصدر واللامركزية.
أخيرًا، يقدم CERN جولات تعليمية للمرافق، ومتحفًا محليًا، ومعارض فنية.
البنى المستقبلية لـ CERN والإنجازات
LHC عالي اللمعان (HL–LHC)
بينما يعمل باحثو وفنيو CERN بجد للحصول على أقصى ما يمكن من المنشآت الحالية، فإنهم في الوقت نفسه يتطلعون إلى الخطوات التالية.
الأول سيكون “LHC عالي اللمعان”، أو HL–LHC، وهو ترقية تهدف إلى زيادة لمعان LHC بمقدار 10 أضعاف. على سبيل المثال، سيُنتج LHC عالي اللمعان ما لا يقل عن 15 مليون جسيم هيغز سنويًا، مقارنةً بحوالي ثلاثة ملايين من LHC في عام 2017.
المصدر: CERN
ستشمل الترقية تحسينات في المغناطيسات، وصلات الموصلات الفائقة، الحماية المعززة، ومسرعات أفضل.
من المتوقع أن يكون HL–LHC عمليًا في منتصف الثلاثينيات، حيث بدأ العمل الهندسي المدني في أبريل 2018، وتلقى أول مغناطيساته في ديسمبر 2024.
المصادم الدائري المستقبلي (FCC)
بعد LHC، من المتوقع أن يكون التصميم الضخم بطول 90 كيلومتر هو الخطوة التالية لمسرعات الجسيمات، المسمى بالمصادم الدائري المستقبلي (FCC). سيُبنى بعمق متوسط يبلغ 200 متر (656 قدم).
ستستمر التجارب الأولى لمدة 15 سنة، بدءًا من منتصف الأربعينيات مع FCC-ee، وهو مصادم إلكترون-بوزيترون. من المتوقع أن يتراوح استهلاك الطاقة لـ FCC-ee بين 1 و1.8 تيراواط ساعة سنويًا.
ستُثبت آلة ثانية، FCC-hh، وهو مصادم بروتون-بروتون، في نفس النفق وتبدأ في سبعينيات القرن الحالي وتعمل لأكثر من 25 سنة.
من المتوقع أن يكلف المشروع بالكامل حوالي 15 مليار فرنك سويسري، موزعًا على 15 سنة. من المتوقع الانتهاء من دراسة الجدوى بحلول عام 2025، مع اتخاذ قرار نهائي من لجنة CERN بحلول 2027-2028 وبدء البناء في الثلاثينيات.
يمكن لـ FCC دراسة الجسيمات المتوقعة من نظريات تتجاوز النموذج القياسي للفيزياء الجسيمية، مما سيتطلب إما كواشف أكثر حساسية أو تسريعًا أقوى.
من المحتمل أن يكون هذا الفهم الأعمق للفيزياء حاسمًا لتحسين أداء الحواسيب وفتح إمكانات جديدة لعلوم المواد. ومن خلال ذلك، سيمكن للإنسانية أن تصبح حضارة متقدمة حقًا قادرة على استكشاف النجوم، وإنشاء ذكاء اصطناعي حقيقي، أو الاستمتاع بطاقة غير محدودة وفيرة.
شركة ذات صلة بـ CERN
CEVA
(CEVA )
CEVA هي شركة حساسات وشريك مع CERN لاستخدام خوارزمية المؤسسة لتحسين كفاءة حساساتها واستهلاكها للطاقة. تُدمج حلول CEVA وحقوق الملكية الفكرية (200 براءة اختراع) في 18 مليار جهاز.
تُستخدم حلول الشركة من قبل العديد من العلامات التجارية الإلكترونية الرائدة حول العالم.
المصدر: CEVA
التطبيق الرئيسي للتعاون بين CEVA و CERN هو “الذكاء الاصطناعي الطرفي” (Edge AI)، أي تطبيقات الذكاء الاصطناعي التي تُنشر على الأجهزة بعيدًا عن مراكز البيانات (السحابة) وأقرب إلى المستهلكين (الطرف).
قد لا يكون من المفاجئ رؤية خوارزميات الفيزياء الجسيمية تُعاد استخدامها في تطبيقات الذكاء الاصطناعي، حيث استُخدمت الشبكات العصبية، على سبيل المثال، في العثور على جسيم هيغز. يحتاج تحليل بيانات مسرعات الجسيمات إلى أن يتم في الموقع بدلاً من السحابة، بسبب الحجم الهائل للبيانات التي تُنتج بسرعة كبيرة.
ساعدت Ceva CERN في إنشاء خوارزميات ضغط جديدة يمكن استخدامها في التجارب المستقبلية وستتمكن من دمج هذه التقنية الجديدة في منتجاتها.
“بفضل تعاوننا مع CERN تمكنا من تطوير نهج مبتكر يتيح للشبكات أن تعمل أسرع حتى 15 مرة مقارنةً بالنماذج الأساسية ذات 16 بت.
إنه يعزز سرعة الشبكة ويقلل استهلاك الطاقة بنسبة تصل إلى 90% مع الحفاظ على دقة مماثلة.
هذا مجرد أحد إنجازات CEVA التقنية، حيث تنشط الشركة في الاتصال اللاسلكي، وأجهزة الاستشعار (الرؤية، الصوت، الحركة)، وخوارزميات الشبكات العصبية.
المصدر: CEVA
تستفيد CEVA بشكل كبير من الاتجاه المشترك للاتصال 5G (بما في ذلك 5G عبر الأقمار الصناعية) وإنترنت الأشياء (IoT) مع حلول الذكاء الاصطناعي المدمجة، سواء للحلول الصناعية أو المنزلية. كما أنها رائدة في حلول WiFi 6 وتتمتع بموقع رائد في WiFi 7.
المصدر: Ruije
كشركة برمجيات وحقوق ملكية فكرية، تُعرف CEVA جيدًا وغالبًا ما يغفل عنها المستثمرون المهتمون بقطاعات إنترنت الأشياء (IoT) والجيل الخامس (5G).
يمكن أن تكون شركة مثيرة للاهتمام على حافة التقدم التكنولوجي في معالجة البيانات والذكاء الاصطناعي الطرفي، كما يتضح من اختيار CERN لها للمساعدة في بعض أكثر التحليلات البيانية تعقيدًا التي أجراها البشر على الإطلاق.
