CERN: Forståelse af partikler for at bygge den moderne verden

CERN som grundlag for moderne videnskab

Den Europæiske Organisation for Kernforskning, eller CERN, har været en af de vigtigste faciliteter i verden for studiet af subatomare partikler og grundlæggende fysik.

Dette er vigtigt arbejde, da kvantefysik og relativitetsteori har været de grundlæggende videnskaber bag mange, om ikke de fleste, af den moderne verdens teknologiske innovationer, herunder computere, mobiltelefoner, lasere, telekommunikation, satellitter, MR, solpaneler, avancerede mikroskoper, kernekraft osv.

Dette skyldes, at alle disse teknologier kræver en dyb forståelse af atomers, elektroners og andre partiklers opførsel på den mindste skala. Og disse er langt fra intuitive, og går langt ud over den forenklede model med elektroner i kredsløb omkring atomkernen. For eksempel kræver selv det simpleste mulige atom, hydrogen, en kompleks ligning for at beskrive, hvordan dets elektroner virkelig opfører sig.

Kilde: Department of Energy

CERN har også været et virkelig globalt og internationalt videnskabeligt initiativ, hvorfra mange andre opdagelser, herunder internettet selv, er opstået.

Endelig har opførelse, drift og opgradering af CERN-faciliteterne været en væsentlig drivkraft for at styrke forskning og ingeniørarbejde inden for mange avancerede videnskabelige felter som superledere, sensorer og ultra‑kraftfulde lasere og magneter.

Ambitiøs videnskab fra dag ét

CERN blev grundlagt i 1954 af 12 europæiske lande, med den franske forkortelse “Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire“, som gav den sit navn.

Kilde: Wikipedia

Det ville ikke være en overdrivelse at sige, at en stor del af moderne partikel­fysik blev født i CERN, nemlig:

• Opdagelsen af de svage bosoner, som bærer en af de 4 grundlæggende kræfter, blev tildelt Nobelprisen i fysik i 1984.
• Den første frembringelse af antihydrogenatomer.
• Opdagelsen af en ny tilstand af materie, kvark‑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 fuldgyldige medlemmer og 10 associerede medlemmer, hvilket er det første skridt før potentiel fuld medlemskab. Til dette skal også de tætte relationer med 3 lande med observatørstatus (Japan, Rusland, USA) og samarbejde eller videnskabelig kontakt med næsten alle lande på Jorden tilføjes.

CERN beskæftiger direkte 3.500 personer, hvor den største gruppe udgøres af forskere og ingeniører, efterfulgt af teknikere, og lidt under et hundrede forsknings‑fysikere.

Kilde: CERN

CERN-infrastruktur

Ingen af CERN’s resultater ville have været mulige uden den verdensklasse ingeniørkunst, der gik ind i opbygningen af deres partikelacceleratorer og detektorer.

Partikelacceleratorer fungerer ved at flytte partikler i et stærkt vakuum, fri for luft eller støv. Kraftfulde elektromagneter og elektriske felter accelererer partiklerne og holder dem inde i acceleratorerne. De accelererede partikler, nogle gange med 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 gør det muligt for forskere at forstå mere om den grundlæggende natur af disse partikler.

Kilde: Department of Energy

I dag er CERN’s hoved‑partikelaccelerator 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 den blive overskygget af en endnu større 90‑100 km accelerator, der løber under Genevesøen og omkring byen (mere om dette nedenfor).

Kilde: Swisstopo

I dag, ud over den “primære” LHC, driver CERN 11 andre partikelacceleratorer til specifikke forskningsbehov på tungere partikler, protoner, plasma, studier af ustabile kerner osv. Disse acceleratorer supplerer ofte hinanden, hvor mange “forsyner” de nødvendige partikler til de andre i et komplekst sammenkoblet system.

Kilde: CERN

Institutionen har også ikke mindre end 11 nedlagt partikelacceleratorer og collider‑anlæg bygget siden 1950’erne.

CERN-teknologi

LHC

LHC’s dybe underjordiske placering 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 overfladeland, især i den dyre Genève‑region. Lagene af sten beskytter også anlægget mod kosmisk og overfladisk stråling.

Kilde: CERN

LHC er den stærkeste partikelaccelerator, der nogensinde er bygget. Den forbruger i gennemsnit 600 GWh per år, omkring halvdelen af CERN’s samlede energiforbrug på 1,3 TWh. Til sammenligning forbruger hele Frankrig 500 TWh, EU 3 400 TWh, og verden 20 000 TWh.

LHC producerer 2 partikelstråler, som hver rejser tæt på lysets hastighed, og får dem til at kollidere med hinanden. De styres og indeholdes af 9 593 superledende elektromagneter afkølet med flydende helium ved -271,3 °C (-456,34 °F).

Det meste af driftsenergien går til elektromagneterne, både for at drive dem og for at producere den enorme mængde flydende helium.

LHC-mål

LHC udførte sin første kollision i 2008 og forventes at køre frem til 2040‑erne. Efter den første løbebane, som inkluderede opdagelsen af Higgs‑bosonen, er der i gang med en massiv opgradering og vedligeholdelse for at forberede den anden løbebane, som vil øge LHC’s energiniveau til 13 TeV (tera‑elektronvolt) kollisioner.

Efter Higgs‑boson‑opdagelsen forventes LHC at hjælpe med at besvare grundlæggende spørgsmål om universet, herunder rollen og naturen af den såkaldte mørke energi og mørke materie.

De ekstreme energiniveauer bør også give os indsigt i universets tidlige fase, i en tilstand af “kvark‑gluon‑plasma”.

ATLAS

Et vigtigt supplement til LHC er ATLAS‑partikeldetektoren. Den er den største partikeldetektor, der nogensinde er bygget, på 46 meter (150 fod) i længden og 25 meter (82 fod) i diameter.

Detektorerne indeholder over 100 millioner følsomme elektroniske kanaler til at registrere de partikler, der produceres ved kollisionerne.

Den indeholder mange under‑detektorer, som hver spiller en separat rolle, for samtidigt at detektere fotoner, elektroner, myoner, pioner osv.

Kilde: ATLAS

5900+ fysikere, ingeniører, teknikere, studerende og administratorer har arbejdet på at bygge og drive ATLAS, repræsenterende 180 videnskabelige institutioner fra over 40 lande.

CERN – Teknologier født

Alle disse kilometer af partikelacceleratorer har over tid leveret en masse nyttig teknologi til menneskeheden.

Opfindelsen af internettet

Måske den mest indflydelsesrige teknologi, der nogensinde er kommet ud af CERN, var internettet; virkelig.

CERN skabte TCP/IP‑protokollen til sit eget interne netværk, og konceptet World Wide Web blev opfundet på CERN af Tim Berners‑Lee, som lavede den allerførste hjemmeside (følg linket for at se, hvordan den så ud).

Den blev oprindeligt tænkt som en måde for forskere at udveksle data og idéer lettere.

Kilde: CERN

I 1993 tilbød CERN World Wide Web‑softwaren til verden som en public‑domain intellektuel ejendom. Det blev også en pioner inden for grid‑computing, processen med at udføre beregninger gennem flere computere forbundet via nettet.

Så måske paradoksalt var en af de største bidrag fra CERN, en partikelaccelerator‑forskningsorganisation, at fremme den frie udveksling af al viden, data og software, i stedet for kun et kvantefysik‑eksperiment.

Medicinske anvendelser

En anvendelse af CERN’s forskning er en dybere forståelse af partikelacceleratorer. Mindre acceleratorer bruges nu rutinemæssigt på hospitaler til strålebehandling i kræftbehandling. Kontinuerlig forskning har gjort dem mere effektive, mindre og billigere over tid.

Et yderligere bidrag til kræftterapi er inden for nuklearmedicin, hvor sjældne isotoper anvendes til at dræbe kræftceller.

Siden 2017 har CERN‑MEDICIS‑infrastrukturen produceret innovative radioisotoper specifikt til medicinske anvendelser og leveret dem til læger og forskere, som kan vurdere deres egnethed til avancerede behandlinger og billeddannelse.

Nogle af disse radioisotoper produceres kun på CERN.

Medicinsk billeddannelse er et andet felt, hvor partikel­fysik er afgørende, fra røntgen til MR, PET‑scanninger og computertomografi (CT).

Flere forbedringer i hadron‑radioterapi samt medicinsk billeddannelse kom direkte fra sensorerne udviklet til ATLAS‑detektoren.

Under Covid‑pandemien udviklede CERN et open‑source‑værktøj (COVID Airborne Risk Assessment tool – CARA) til at modellere viruskoncentration i lukkede rum med varierende parametre, såsom rummets størrelse, tid tilbragt i rummet, brug af mundbind, antal personer og ventilation.

Energi & Grøn teknologi

CERN har samarbejdet med Airbus ved at bringe sin ekspertise inden for 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 hydrogen i flytransport.

CERN samarbejder også tæt med ITER, verdens største fusionsprojekt, som kunne tilbyde en ubegrænset forsyning af ren energi, hvis det lykkes. Da kernfusion primært er afhængig af ultra‑kraftfulde magneter og superledende materialer, er overblikket med CERN’s ekspertise indlysende.

Databehandling

Når partikler detekteres, er datamængden, der genereres på mikrosekunder, enorm. Endnu værre, disse 40 terabyte per sekund kan ikke gemmes til senere behandling.

Dette har gjort CERN‑forskerne til eksperter i at designe algoritmer, der kan afgøre, hvilke data der er mest interessante, i realtid.

CERN samarbejder med virksomheder som CEVA (sensorteknologi) eller ABB Motors for at bruge sådanne algoritmer til at optimere energiforbruget i CERN’s faciliteter og udstyr under udvikling.

Dette anvendes også af bil‑sikkerhedsfirmaet Zenseact til at udvikle lav‑latens autonome køresystemer.

De samme principper implementeres i droner og robotiksystemer generelt, især med firmaet Terabee.

Rumfart

CERN har mange års erfaring med at håndtere intense og til tider eksotiske former for stråling, som deres udstyr og eksperimenter producerer.

Dette kan udnyttes i praktiske anvendelser til strålingsbeskyttelse af satellitter og bemandede eksperimenter i rummet, ofte i samarbejde med European Space Agency (ESA).

For eksempel har CERN den eneste installation på Jorden, der kan efterligne Jupiters barske strålingsmiljø.

Andre anvendelser

CERN’s krav om, at alle deres partikel‑detektorer og systemer skal være i perfekt synkronisering ned til nanosekunder, har gjort dem til eksperter på dette område også.

De open‑source “CERN‑født tids‑synkroniserings”‑standarder kan bruges i telekommunikation, finansmarkeder og kvantenetværk. For eksempel bruger handelsudbyderen Deutsche Börse (DB1.DE ) den i deres handels‑system‑infrastruktur.

Uddannelse

CERN fungerer også som en uddannelsesressource for avanceret videnskab og fysik.

Dette inkluderer gratis 3D‑printbare modeller af deres udstyr, forklarende tegneserier og tegneseriebøger samt undervisningsmateriale til lærere.

Parallelt leverer de gratis deres egen fleksible, høj‑ydeevne, open‑source digitale biblioteksramme, som i dag bruges af biblioteker, universiteter og globale institutioner.

CERN vedligeholder verdens største generelle forsknings‑arkiv, baseret på den samme digitale biblioteksramme. Dette brugervenlige arkiv gør det muligt for forskere fra enhver disciplin at bevare og dele deres forskningsresultater.

Dedikation til at dele viden viser sig også i deres spin‑off Orvium, en publiceringsinfrastruktur for open‑source og decentraliserede videnskabelige publikationer.

Endelig tilbyder CERN uddannelsesture i faciliteterne, et lokalt museum og kunstudstillinger.

CERN fremtidige infrastruktur & resultater

High Luminosity LHC (HL–LHC)

Mens CERN‑forskerne og -teknikerne arbejder hårdt for at få så meget som muligt ud af de nuværende installationer, ser de samtidig frem mod de næste skridt.

Den første vil være “High Luminosity LHC”, eller HL–LHC, en opgradering med det formål at øge LHC’s luminositet med 10‑gange. For eksempel vil High‑Luminosity LHC producere mindst 15 millioner Higgs‑bosoner om året, sammenlignet med omkring tre millioner fra LHC i 2017.

Kilde: CERN

Opgraderingen vil omfatte forbedringer i magneter, superledende forbindelser, forstærket beskyttelse og bedre acceleratorer.

HL–LHC forventes at være operationel i midten af 2030‑erne, da de civile byggearbejder startede i april 2018, og modtog sine første magneter i december 2024.

Fremtidig cirkulær collider (FCC)

Efter LHC forventes et gigantisk 90 km design at blive det næste skridt inden for partikelacceleratorer, kaldet the Future Circular Collider (FFC). Det vil blive bygget i en gennemsnitlig dybde på 200 meter (656 fod).

De første eksperimenter vil løbe i 15 år, startende i midten af 2040‑erne med FCC‑ee, en elektron‑positron‑collider. FCC‑ee’s energiforbrug forventes at variere mellem 1 og 1,8 TWh/år.

En anden maskine, FCC‑hh, en proton‑proton‑collider, vil blive installeret i den samme tunnel og starte i 2070‑erne og køre i mere end 25 år.

Hele projektet forventes at koste omkring CHF 15 milliarder, fordelt over 15 år. Den endelige færdiggørelse af feasibility‑studiet forventes i 2025, med en endelig beslutning fra CERN‑komitéen i 2027‑2028 og byggeri startende i 2030‑erne.

FCC kunne undersøge partikler forudsagt af teorier, der går ud over standardmodellen for partikel­fysik, hvilket ville kræve enten mere følsomme detektorer eller kraftigere acceleration.

Denne dybere forståelse af fysikken vil sandsynligvis være afgørende for at forbedre computeres ydeevne og åbne nye muligheder inden for materialvidenskab. Og ved at gøre det, give menneskeheden mulighed for at blive en virkelig avanceret civilisation, der kan navigere i stjernerne, skabe sand kunstig intelligens eller nyde ubegrænset, rigelig energi.

CERN-relateret virksomhed

CEVA er et sensor‑firma og en partner med CERN for at bruge institutionens algoritme til at forbedre deres sensors effektivitet og energiforbrug. CEVA‑løsninger og IP (200 patenter) er integreret i 18 milliarder enheder.

Virksomhedens løsninger anvendes af mange af de førende elektroniske mærker over hele verden.

Kilde: CEVA

Den primære anvendelse af samarbejdet mellem CEVA & CERN er “Edge AI”, eller kunstig intelligens anvendt på enheder væk fra datacentrene (skyen) og tættere på forbrugerne (kanten).

Det er måske ikke overraskende at se partikel­fysik‑algoritmer genbruges i AI‑applikationer, da neurale netværk for eksempel blev brugt til at finde Higgs‑boson‑partiklen. Analyse af data fra partikelacceleratorer skal udføres lokalt i stedet for i skyen på grund af den enorme datamængde, der produceres meget hurtigt.

Ceva hjalp CERN med at skabe nye komprimeringsalgoritmer, som kan bruges i fremtidige eksperimenter og vil kunne integrere denne nye teknologi i deres produkter.

“Thanks to our collaboration with CERN we were able to develop an innovative approach that enables the networks to run up to 15x faster compared to 16-bit baseline models.

It’s enhancing network speed and reducing energy consumption by up to 90% while maintaining comparable accuracy.”

Olya Sirkin – Senior Deep Learning Researcher at Ceva

Dette er blot én af CEVA’s teknologiske fremskridt, med virksomheden aktiv inden for trådløs forbindelse, sensorer (vision, audio, motion) og neurale netværks‑algoritmer.

Kilde: CEVA

CEVA drager stor fordel af den kombinerede tendens med 5G‑forbindelse (inklusive satellit‑5G) og IoT (Internet of Things) med indlejrede AI‑løsninger, både til industrielle og hjemme‑løsninger. Det er også en leder inden for WiFi 6‑løsninger og har en førende position inden for WiFi 7.

Kilde: Ruije

Som software‑ og IP‑virksomhed er CEVA velkendt og bliver ofte overset af investorer, der er interesseret i IoT‑ og 5G‑sektorerne.

Det kan være en interessant virksomhed i den helt nye kant af teknologisk fremgang inden for databehandling og Edge AI, som illustreret af CERN’s udvælgelse af dem til at hjælpe med nogle af de mest komplekse dataanalyser, der nogensinde er udført af menneskeheden.