Megaprojekter
CERN: Forståelse af Partikler Til At Bygge Den Moderne Verden
CERN Som Rod For Moderne Videnskab
Den Europæiske Organisation for Kernforskning, eller CERN, har været en af de vigtigste faciliteter i verden for studiet af subatomære partikler og fundamentel fysik.
Dette er vigtigt arbejde, da kvantefysik og relativitet har været de fundamentale videnskaber bag mange, hvis ikke de fleste, af den moderne verdens teknologiske innovationer, herunder computere, mobiltelefoner, lasere, telekommunikation, satellitter, MRI, solceller, avancerede mikroskoper, kerneenergi osv.
Dette skyldes, at alle disse teknologier kræver en dyb forståelse af atomers, elektroner og andre partiklers adfærd på den mindste skala. Og disse er alle andet end intuitive, og går langt ud over den forenklede model af elektroner, der kredser om atomkernen. For eksempel kræver selv den enkleste mulige atom, hydrogen, en kompleks ligning for at beskrive, hvordan dets elektroner virkelig opfører sig.
Kilde: Department of Energy
CERN har også været en sandt global og international videnskabelig initiativ, hvorfra mange andre opdagelser, herunder Internettet selv, er opstået.
Til sidst har opførelse, drift og opgradering af CERN-faciliteterne været en større drivkraft for at fremme forskning og ingeniørvidenskab i mange avancerede videnskabelige felter som supraledere, sensorer og ultra-kraftige lasere og magneter.
Ambitiøs Videnskab Fra Dag Én
CERN blev grundlagt i 1954 af 12 europæiske lande, med den franske sprogakronym “Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire” som gav det dets navn.
Kilde: Wikipedia
Det ville ikke være en overdrivelse at sige, at en stor del af moderne partikelfysik blev født i CERN, navnlig:
- Opdagelsen af de svage bosoner, der bærer en af de 4 fundamentale kræfter, blev tildelt Nobelprisen i fysik i 1984.
- Den første skabelse af antihydrogenatomer.
- Opdagelsen af en ny tilstand af materie, quark-gluon plasma.
- Nobelprisen i fysik i 1992 til en CERN-forsker for hans opfindelse og udvikling af partikeldetektorer.
- Nobelprisen i fysik i 2013 til CERN-forskere for beskrivelsen og observationen af Higgs-bosonerne (ansvarlige for at give partikler deres masse).
Kilde: CERN
I dag omfatter CERN 25 lande som fuldt ud medlemmer og 10 associerede medlemmer, som er det første skridt før mulig fuldt medlemskab. Til disse skal også føjes den tætte relation med 3 lande med observatørstatus (Japan, Rusland, USA) og samarbejde eller videnskabelig kontakt med næsten hvert land på jorden.
CERN beskæftiger direkte 3.500 mennesker, hvor den største gruppe består af videnskabsmænd og ingeniører, efterfulgt af teknikere, der følger ledelsen og indsigtene lidt under en hundred forskningsfysikere.
Kilde: CERN
CERN Infrastruktur
Ingen af CERNs præstationer ville have været mulige uden den verdensklasse ingeniørarbejde, der gik med til at bygge dets partikelaccelerator og detektorer.
Partikelacceleratorer virker ved at flytte partikler i en stærk vakuum, fri for luft eller støv. Kraftige elektromagneter og elektriske felter accelererer partiklerne og holder dem fanget i accelerator. Den accelererede partikel, nogle gange ved 99,9% af lysets hastighed (299 792 458 meter per sekund / 186.000 miles per sekund), rammer enten en anden partikelstråle eller et fast mål.
Den ekstreme hastighed og energi i disse kollisioner giver videnskabsmænd mulighed for at forstå mere om partiklernes fundamentale natur.
Kilde: Department of Energy
I dag er CERNs hovedpartikelaccelerator LHC (Large Hadron Collider), beliggende i Genève, Schweiz. LHC er en underjordisk tunnel så dyb som 175 meter (575 fod), der danner en cirkel på 27 kilometer (17 miles) i omkreds.
I fremtiden kan det muligvis blive overgået af en endnu større 90-100 km accelerator, der går under Genèvesøen og hele vejen rundt om byen (mere om det nedenfor).
Kilde: Swisstopo
I dag, ud over “hoved”-LHC, driver CERN 11 andre partikelacceleratorer til bestemte forskningsbehov på tungere partikler, protoner, plasma, studie af ustabile kerner osv. Disse partikelacceleratorer komplementerer ofte hinanden, med mange “fodring” af de nødvendige partikler ind i de andre i et komplekst sammenhængende system.
Kilde: CERN
Institutionen har også ikke mindre end 11 nedlagte partikelacceleratorer og kollidsionsmaskiner bygget siden 1950’erne.
CERN Teknologi
LHC
LHCs dybe underjordiske beliggenhed skyldes en blanding af videnskabelige og økonomiske årsager. Det er billigere at grave en tunnel end at erhverve en cirkel på 27 km i diameter af overfladejord, især i den dyre Genève-region. Lagene af klipper skærmer også faciliteterne fra kosmisk og overfladeradiation.
Kilde: CERN
LHC er den stærkeste partikelaccelerator, der nogensinde er bygget. Den forbruger i gennemsnit 600 GWH per år, omkring halvdelen af det samlede CERNs energiforbrug på 1,3 TWh. For at sætte det i perspektiv forbruger hele Frankrig 500 TWh, EU 3400 TWh og verden 20.000 TWh.
LHC laver 2 partikelstråler, der hver rejser tæt på lysets hastighed, kolliderer med hinanden. De er guidet og fanget af 9593 superledende elektromagneter kølet med flydende helium ved -271,3°C (-456,34°F).
Det meste af energiforbruget skyldes elektromagneterne, både til at drive dem og energiudgiften til at producere denne massive mængde flydende helium.
LHC Mål
LHC udførte sin første kollision i 2008 og forventes at køre op til 2040’erne. Efter en første runde, herunder opdagelsen af Higgs-bosonen, er det i gang med en massiv opgradering og vedligeholdelsesarbejde for at forberede sig på den anden runde, som vil øge LHCs effekt til 13 TeV (tera elektronvolter) kollisioner.
Efter opdagelsen af Higgs-bosonen forventes LHC at hjælpe med at besvare fundamentale spørgsmål om universet, herunder rollen og naturen af den såkaldte mørk energi og mørk materie.
De ekstreme energiniveauer, der opnås, skal også give os indsigt i universets tidlige stadium, i en tilstand af “quark-gluon plasma”.
ATLAS
En nøglekomplement til LHS er ATLAS-partikeldetektoren. Det er den største partikeldetektor, der nogensinde er bygget, på 46 meter (150 fod) i længden og 25 meter (82 fod) i diameter.
Detektorerne indeholder 100+ millioner følsomme elektroniske kanaler til at optage partiklerne, der produceres af kollisionerne.
Det indeholder mange underdetektorer, hver med sin egen rolle, for at kunne detektere samtidig fotoner, elektroner, muoner, pioner osv.
Kilde: ATLAS
5900+ fysikere, ingeniører, teknikere, studerende og administratorer har arbejdet på at bygge og drive ATLAS, repræsenterende 180 videnskabelige institutioner fra 40+ lande.
CERN – Teknologier Født
Alle disse kilometers partikelacceleratorer har resulteret i mange nyttige teknologier til menneskeheden over tid.
Opfindelsen Af Internettet
Måske den mest betydningsfulde teknologi, der nogensinde er kommet ud af CERN, var Internettet; virkelig.
CERN skabte TCP/IP-protokollen til sin egen interne netværk, og konceptet om World Wide Web blev opfundet på CERN af Tim Berners-Lee, der lavede den allerførste hjemmeside (følg linket for at se, hvordan den så ud).
Det var oprindeligt tænkt som en måde for forskere at udveksle data og ideer på en lettere måde.
Kilde: CERN
I 1993 tilbød CERN World Wide Web-softwaren til verden som offentligt ejendomsret. Det ville også være en pioner i grid-computing, processen med at udføre en beregning gennem multiple computere forbundet via web.
Så måske paradoksalt var en af CERNs største bidrag, en partikelacceleratorforskningsorganisation, at fremme den fri udveksling af alle kundskaber, data og software, i stedet for en kvantefysisk eksperiment.
Medicinske Anvendelser
En anvendelse af CERNs forskning er en dybere forståelse af partikelacceleratorer. Mindre størrelsesacceleratorer bruges i dag rutinemæssigt på hospitaler til radioterapi i kræftbehandlinger. Kontinuerlig forskning har gjort dem mere effektive, mindre og billigere over tid.
En yderligere bidrag til kræftebehandling er på området for nuklearmedicin, eller brug af sjældne isotoper til at dræbe kræftceller.
Nogle af disse radioisotoper produceres unikt på CERN.
Medicinsk billedanalyse er et andet område, hvor partikelfysik er afgørende, fra røntgenstråler til MRI, PET-scans og computertomografi (CT).
Flere forbedringer i hadronradioterapi samt medicinsk billedanalyse kom direkte fra sensorerne udviklet til ATLAS-partikeldetektoren.
Under Covid-pandemien udviklede CERN et open-source-værktøj (COVID Airborne Risk Assessment-værktøj – CARA) til at modelvære koncentrationen af virus i lukkede rum med varierende parametre, såsom rumstørrelse, tid tilbragt i rummet, maskebrug, antal personer og ventilation.
Energi & Grøn Teknologi
CERN har samarbejdet med Airbus ved at bringe sin ekspertise til superledende kabler til potentielt lettere fly eller endda elektriske fly.
Institutionens erfaring med at teste materialer ved ekstremt lave temperaturer er også nyttig til at teste potentialet for brint i flytransport.
CERN samarbejder også tæt med ITER, verdens største kernfusionprojekt, der kan tilbyde en ubegrænset mængde ren energi, hvis det lykkes. Da kernfusion primært afhænger af ultra-kraftige magneter og superledere, er overlapet med CERNs ekspertise åbenlyst.
Data Behandling
Når partikler detekteres, er datastrømmen, der genereres på få mikrosekunder, enorm. Endnu mere problematisk er, at disse 40 terabyte per sekund ikke kan gemmes til senere behandling.
Dette har ført til, at CERNs videnskabsmænd er blevet eksperter i design af algoritmer, der kan afgøre, hvilke data der er de mest interessante data på vej.
CERN samarbejder med virksomheder som CEVA (sensorer) eller ABB Motors til at bruge sådanne algoritmer til at optimere energiforbruget af CERNs faciliteter og udstyr i udvikling.
Dette bruges også af bil-sikkerheds virksomheden Zenseact til at udvikle lav-forsinkelses selvstændige kørsels systemer.
De samme principper er ved at blive udviklet til droner og robotik systemer generelt, navnlig med virksomheden Terabee.
Rumfart
CERN har en langvarig erfaring med at håndtere intens og nogle gange eksotiske former for stråling produceret af dets udstyr og eksperimenter.
Dette kan udnyttes i praktiske anvendelser for strålingsbeskyttelse af satellitter og månedekspeditioner i rummet, ofte i samarbejde med Den Europæiske Rumfartsorganisation (ESA).
For eksempel har CERN den eneste installation på jorden, der kan genskabe Jupiter’s hårde radiative miljø.
Andre Anvendelser
CERNs krav om at have alle sine partikeldetektorer og systemer i perfekt samtidighed ned til nanosekundet har gjort det til en ekspert på dette område.
De åbne “CERN-fødte tidssynkroniserings”-standarder kan bruges i telekommunikation, finansielle markeder og kvante-netværk. For eksempel bruger handelsudbyderen Deutsche Börse det i deres handelssystem-infrastruktur.
Uddannelse
CERN fungerer også som en uddannelsesressource for avanceret videnskab og fysik.
Dette inkluderer at tilbyde gratis en 3D-udskrivbar model af sin udstyr, forklarende tegneserier og tegneserier og undervisningsmaterialer til lærere.
Samtidig tilbyder det gratis sin egen fleksible, højtydende, åben kilde-digitale biblioteksramme, der i dag bruges af biblioteker, universiteter og globale institutioner.
CERNs engagement i at dele viden manifestere sig også i dets spin-off Orvium, en publiceringsinfrastruktur for åben kilde-videnskabelige publikationer.
Til sidst tilbyder CERN uddannelsesbesøg i faciliteterne, et lokalt museum og kunstudstillinger.
CERN Fremtidige Infrastrukturer & Præstationer
Høj Luminositets LHC (HL–LHC)
Mens CERNs forskere og teknikere arbejder hårdt på at få så meget som muligt ud af de nuværende installationer, ser de samtidig på de næste skridt.
Det første vil være “High Luminosity LHC”, eller HL–LHC, en opgradering, der har til formål at øge LHCs luminositet med 10 gange. For eksempel vil High-Luminosity LHC producere mindst 15 millioner Higgs-bosoner per år, sammenlignet med omkring tre millioner fra LHC i 2017.
Kilde: CERN
Opgraderingen vil omfatte forbedringer i magneter, superledende forbindelser, forstærket beskyttelse og bedre acceleratore.
HL–LHC forventes at være operativt i midten af 2030’erne, da det civile ingeniørarbejde startede i april 2018, og modtog sine første magneter i december 2024.
Fremtidig Cirkulær Collider (FCC)
Efter LHC forventes en kæmpe 90 km design at være det næste skridt for partikelacceleratorer, kaldet Fremtidig Cirkulær Collider (FFC). Det vil blive bygget i en gennemsnitlig dybde på 200 meter (656 fod).
De første eksperimenter vil gå i gang i 15 år, starting i midten af 2040’erne med FCC-ee, en elektron-positron collider. FCC-ees forbrug af energi forventes at variere mellem 1 og 1,8 TWh/år.
En anden maskine, FCC-hh, en proton-proton collider, ville blive installeret i samme tunnel og starte i 2070’erne og køre i mere end 25 år.
Hele projektet forventes at koste omkring CHF 15 mia., fordelt over 15 år. Den endelige afslutning af følsomhedsstudiet forventes i 2025, og en endelig beslutning af CERN-komiteen i 2027-2028 og byggestart i 2030’erne.
FCC kunne undersøge partikler, der er forudsat af teorier, der går ud over den standardmodel for partikelfysik, hvilket ville kræve enten mere følsomme detektorer eller kraftigere acceleration.
Denne dybere forståelse af fysik vil sandsynligvis være afgørende for at forbedre computerens præstation og åbne nye muligheder for materialevidenskab. Og ved at gøre det, giver det menneskeheden mulighed for at blive en sandt avanceret civilisation, der kan navigere i stjernerne, skabe sandt kunstig intelligens eller nyde ubegrænset overflod af energi.
CERN Relateret Virksomhed
CEVA
(CEVA )
CEVA er en sensorvirksomhed og en partner med CERN til at bruge institutionens algoritme til at forbedre sine sensorers effektivitet og energiforbrug. CEVA-løsninger og IP (200 patenter) er integreret i 18 milliarder enheder.
Virksomhedens løsninger bruges af mange af de førende elektroniske mærker over hele verden.
Kilde: CEVA
Hovedanvendelsen af samarbejdet mellem CEVA og CERN er “Edge AI”, eller kunstig intelligens-applikationer, der er installeret på enheder langt fra datacenter (skyen) og tættere på forbrugerne (kanten).
Det kan ikke være overraskende at se, at partikelfysik-algoritmer genbruges i AI-applikationer, da neurale netværk for eksempel blev brugt til at finde Higgs-boson-partiklen. Analyse af partikelaccelerator-data skal udføres på stedet og ikke i skyen på grund af den enorme mængde data, der produceres meget hurtigt.
Ceva hjalp CERN med at udvikle nye kompressionsalgoritmer, der kan bruges i fremtidige eksperimenter, og vil kunne integrere denne nye teknologi i sine produkter.
“Takket være vores samarbejde med CERN kunne vi udvikle en innovativ tilgang, der giver mulighed for, at netværket kan køre op til 15 gange hurtigere end 16-bit baseline-modeller.
Det forbedrer netværkshastigheden og reducerer energiforbruget med op til 90%, samtidig med at det opretholder en tilsvarende nøjagtighed.”
Dette er kun et af CEVAs teknologiske fremskridt, da virksomheden er aktiv i trådløs tilslutning, sensorer (syn, lyd, bevægelse), og neurale netværksalgoritmer.
Kilde: CEVA
CEVA har stor gavn af den kombinerede trend med 5G-forbindelse (herunder satellit-5G) og IoT (Internet of Things) med integrerede AI-løsninger, både til industrielle og hjemme-løsninger. Det er også en leder i WiFi 6-løsninger og har en førende position i WiFi 7.
Kilde: Ruije
Som en software- og IP-virksomhed er CEVA velkendt og ofte overset af investorer, der er interesseret i IoT- og 5G-sektorerne.
Det kan være en interessant virksomhed på kanten af teknologisk fremgang i databehandling og Edge AI, som illustreret af CERNs valg af det til at hjælpe med nogle af de mest komplekse dataanalyser, der nogensinde er udført af menneskeheden.
