Megaprojekter
CERN: Forståelse af partikler til at bygge den moderne verden
Securities.io opretholder strenge redaktionelle standarder og kan modtage kompensation fra gennemgåede links. Vi er ikke en registreret investeringsrådgiver, og dette er ikke investeringsrådgivning. Se venligst vores tilknyttet videregivelse.
CERN som roden til moderne videnskab
Den Europæiske Organisation for Nuklear Forskning, eller CERN, har været en af de vigtigste faciliteter i verden til undersøgelse af subatomære partikler og grundlæggende fysik.
Dette er vigtigt arbejde, da kvantefysik og relativitetsteori har været de grundlæggende videnskaber bag mange, hvis ikke de fleste, af den moderne verdens teknologiske innovationer, bl.a. computere, mobiltelefoner, lasere, telekommunikation, satellitter, MRI, solpaneler, avancerede mikroskoper, atomenergi mv.
Dette skyldes, at alle disse teknologier kræver en dyb forståelse af atomers, elektroners og andre partiklers opførsel i den mindste skala. Og disse er næsten intuitive og går langt ud over den forenklede model af elektroner, der kredser om atomkernen. For eksempel kræver selv det enklest mulige atom, brint, en kompleks ligning for at beskrive, hvordan dets elektroner virkelig opfører sig.
Kilde: Department of Energy
CERN har også været et virkeligt globalt og internationalt videnskabeligt initiativ, hvorfra mange andre opdagelser, inklusive internettet selv, er udsprunget.
Endelig har bygningen, driften og opgraderingen af CERN-faciliteterne været en vigtig drivkraft for at øge forskning og teknik inden for mange avancerede videnskabelige områder som superledere, sensorer og ultrakraftige lasere og magneter.
Ambitiøs videnskab fra dag ét
CERN blev grundlagt i 1954 af 12 europæiske lande med det franske akronym "Det Europæiske Råd for Nuklear Forskning” at give den sit navn.
Kilde: Wikipedia
Det ville ikke være en overdrivelse at sige, at en stor del af moderne partikelfysik blev født i CERN, især:
- Opdagelsen af de svage bosoner, der bærer en af de 4 grundlæggende kræfter, blev tildelt 1984 Fysik Nobelprisen.
- Den første skabelse af antihydrogenatomer.
- Opdagelsen af en ny stoftilstand, 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 involverer CERN 25 lande som fuldgyldige medlemmer og 10 associerede medlemmer, hvilket er det første skridt før potentielt fuldt medlemskab. Hertil kommer også den tætte relation til 3 lande med observatørstatus (Japan, Rusland, USA) og samarbejde eller videnskabelig kontakt med næsten alle lande på Jorden.
CERN beskæftiger direkte 3,500 mennesker, hvor den største gruppe består af forskere og ingeniører, efterfulgt af teknikere, der følger teten og indsigter lidt under hundrede forskningsfysikere.
Kilde: CERN
CERN Infrastrukturer
Ingen af CERNs resultater ville have været mulige uden den ingeniørkunst i verdensklasse, der ligger bag bygningen af dens partikelaccelerator og detektorer.
Partikelacceleratorer virker ved at flytte partikler i et stærkt vakuum, fri for luft eller støv. Kraftige elektromagneter og elektriske felter accelererer partiklerne og holder dem inde i acceleratoren. Den accelererede partikel, 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 videnskabsmænd at forstå mere om disse partiklers grundlæggende natur.
Kilde: Department of Energy
I dag er CERNs vigtigste partikelaccelerator LHC (Large Hadron Collider), der ligger 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 vil den måske blive overskygget af en endnu større 90-100 km accelerator, der går under Geneve-søen og hele byen rundt (mere om det nedenfor).
Kilde: Swisstopo
I dag driver CERN, oven i "hoved" LHC, 11 andre partikelacceleratorer til specifikke forskningsbehov om tungere partikler, protoner, plasma, undersøgelse af ustabile kerner osv. Disse partikelacceleratorer supplerer ofte hinanden med mange "føde" de nødvendige partikler ind i de andre i et komplekst sammenlåsningssystem.
Kilde: CERN
Institutionen har desuden ikke mindre end 11 udrangerede partikelacceleratorer og kollidere bygget siden 1950'erne.
CERN teknologi
LHC
LHC's dybtliggende placering under jorden skyldes en blanding af videnskabelige og økonomiske årsager. Det er billigere at grave en tunnel end at erhverve en cirkel med en diameter på 27 km overfladejord, især i den dyre Genève-region. Klippelagene beskytter også anlægget mod kosmisk og overfladestråling.
Kilde: CERN
LHC er den stærkeste partikelaccelerator, der nogensinde er bygget. Den forbruger i gennemsnit 600 GWH om året, hvilket er omkring halvdelen af CERNs samlede 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 får 2 partikelstråler, der hver bevæger sig tæt på lysets hastighed, til at kollidere med hinanden. De bliver guidet og indespærret af 9593 superledende elektromagneter afkølet med flydende helium ved -271.3°C (-456.34°F).
Det meste af energiforbruget ved operationen skyldes elektromagneterne, både til at betjene dem og energiudstrækningen til at producere denne enorme mængde flydende helium.
LHC mål
LHC udførte sin første kollision i 2008 og forventes at vare indtil 2040'erne. Efter en første kørsel, der inkluderede opdagelsen af Higgs-bosonen, er der igangværende massive opgraderings- og vedligeholdelsesarbejder for at forberede den anden kørsel, som vil øge LHC's effektniveauer til 13 TeV (teraelektronvolt) kollisioner.
Efter Higgs-bosonopdagelsen forventes LHC at hjælpe med at besvare grundlæggende spørgsmål om universet, herunder rollen og naturen af den såkaldte mørke energi og mørkt stof.
De nåede ekstreme energiniveauer burde også give os indsigt i universets tidlige stadie, i en tilstand af "kvark-gluon plasma".
ATLAS
Et centralt supplement til LHS er ATLAS-partikeldetektoren. Det er den største partikeldetektor, der nogensinde er bygget, på 46 meter (150 fod) lang og 25 meter (82 fod) i diameter.
Detektorerne indeholder mere end 100 millioner følsomme elektroniske kanaler til at registrere partiklerne produceret af kollisionerne.
Den indeholder mange underdetektorer, der hver spiller en separat rolle, for på samme tid at detektere fotoner, elektroner, myoner, pioner osv.
Kilde: ATLAS
5900+ fysikere, ingeniører, teknikere, studerende og administratorer har arbejdet med at bygge og drive ATLAS, der repræsenterer 180 videnskabelige institutioner fra 40+ lande.
CERN – Technologies Born
Alle disse kilometer af partikelacceleratorer har givet en masse nyttig teknologi til menneskeheden gennem tiden.
Opfinder internettet
Måske den mest virkningsfulde 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, der lavede allerførste hjemmeside (følg linket for at se, hvordan det så ud).
Det var oprindeligt tænkt som en måde, hvorpå forskere lettere kunne udveksle data og ideer.
Kilde: CERN
I 1993 tilbød CERN World Wide Web-softwaren til verden som en intellektuel ejendom i det offentlige domæne. Det ville også være en pioner inden for grid computing, processen med at udføre en beregning gennem flere computere forbundet via internettet.
Så måske paradoksalt nok var et af de største bidrag fra CERN, en partikelacceleratorforskningsorganisation, at øge den frie udveksling af al viden, data og software i stedet for et kvantefysikeksperiment.
medicinske anvendelser
En anvendelse af CERNs forskning er en dybere forståelse af partikelacceleratorer. Mindre acceleratorer bruges nu rutinemæssigt på hospitaler til strålebehandling i forbindelse med kræftbehandlinger. Kontinuerlig forskning har gjort dem mere effektive, mindre og billigere over tid.
Et yderligere bidrag til kræftbehandling er inden for nuklearmedicin eller brug af sjældne isotoper til at dræbe kræftceller.
Nogle af disse radioisotoper er unikt produceret på CERN.
Medicinsk billeddannelse er et andet område, hvor partikelfysik er afgørende, fra røntgenstråler til MR, PET-scanninger og computertomografi (CT).
Adskillige forbedringer i hadron-strålebehandling, såvel som medicinske forestillingerg, kom direkte fra sensorerne udviklet til ATLAS-partikeldetektoren.
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 rumstørrelse, tid brugt i rummet, maskebæring, antal personer og ventilation.
Energi og 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 materiale ved ekstremt lave temperaturer er også nyttig til at teste potentialet af brint i flytransport.
CERN samarbejder også tæt med ITER, verdens største nuklear fusionsprojekt, som kunne tilbyde en ubegrænset forsyning af ren energi, hvis det lykkesI betragtning af at kernefusion hovedsageligt er afhængig af ultrakraftige magneter og superledermaterialer, er overlapningen med CERNs ekspertise åbenlys.
Databehandling
Når partikler detekteres, er strømmen af data, der genereres i mikrosekunder, enorm. Mere problematisk er det, at disse 40 terabyte i sekundet umuligt kan gemmes til senere behandling.
Dette har ført til, at CERN-forskerne er blevet eksperter i at designe algoritmer, der er i stand til at afgøre, hvilke af dataene der er af de mest interessante data i farten.
CERN samarbejder med virksomheder som f.eks CEVA (sensorer) eller ABB motorer at bruge sådanne algoritmer til at optimere energiforbruget i CERNs faciliteter og udstyr under udvikling.
Dette bruges også af bilsikkerhedsfirmaet Zenseact at udvikle autonome køresystemer med lav latens.
De samme principper bliver implementeret til droner og robotsystemer generelt, især med virksomheden Terabee.
Luftfart
CERN har en lang erfaring med at håndtere intense og til tider eksotiske former for stråling produceret af dets udstyr og eksperimenter.
Dette kan udnyttes i praktiske applikationer til strålingsafskærmning 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 er i stand til at kopiere Jupiters barske strålingsmiljø.
Andre applikationer
CERNs krav om at have alle sine partikeldetektorer og systemer i perfekt synkronisering ned til nanosekundet har også gjort dem til eksperter på dette område.
Open source-standarderne "CERN-born time-synchronisation" kan bruges i telekommunikation, finansielle markeder og kvantenetværk. For eksempel handelsudbyder Tysk børs bruger det i deres handelssystems infrastruktur.
Uddannelse
CERN fungerer også som en uddannelsesressource for avancerede videnskaber og fysik.
Dette inkluderer at tilbyde gratis en 3D-printbar model af dets udstyr, forklarende tegneserier og tegneserier og klasseværelsesmaterialer til lærere.
Parallelt hermed giver det gratis sin egen fleksible, højtydende, open source digitale biblioteksramme, som i dag bruges af biblioteker, universiteter og globale institutioner.
CERNs dedikation til at dele viden viser sig også i dets spin-off Orvium, en udgivelsesinfrastruktur for open source og decentraliserede videnskabelige publikationer.
Endelig tilbyder CERN pædagogiske rundvisninger i faciliteterne, et lokalt museum og kunstudstillinger.
CERN Future Infrastructures & Achievements
Høj lysstyrke LHC (HL–LHC)
Mens CERN-forskerne og -teknikerne arbejder hårdt på at få så meget som muligt ud af de nuværende installationer, ser de samtidig på de næste skridt.
Den første vil være "High Luminosity LHC", eller HL-LHC, en opgradering, der har til hensigt at øge lysstyrken af LHC med 10x. 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, superlederforbindelser, forstærket beskyttelse og bedre acceleratorer.
HL-LHC skulle være operationelt i midten af 2030'erne, da anlægsarbejdet startede i april 2018, og modtog sine første magneter i december 2024.
Future Circular Collider (FCC)
Efter LHC forventes et gigantisk 90 km-design at være det næste trin for partikelacceleratorer, kaldet Future Circular Collider (FFC). Det vil blive bygget i en gennemsnitlig dybde på 200 meter (656 fod).
De første eksperimenter vil fortsætte i 15 år, begyndende i midten af 2040'erne med FCC-ee, en elektron-positron-kollider. FCC-ees strømforbrug forventes at variere mellem 1 og 1.8 TWh/år.
En anden maskine, FCC-hh, en proton-proton kolliderer, ville blive installeret i den samme tunnel og starte i 2070'erne og køre i mere end 25 år.
Hele projektet forventes at koste omkring CHF15B fordelt over 15 år. Den endelige færdiggørelse af forundersøgelsen forventes i 2025 med en endelig beslutning fra CERN-udvalget i 2027-2028 og byggeriet starter 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 fysik vil sandsynligvis være afgørende for at forbedre computernes ydeevne og åbne nye muligheder for materialevidenskab. Og ved at gøre det tillader menneskeheden at blive en virkelig avanceret civilisation, der er i stand til at navigere i stjernerne, skabe ægte kunstig intelligens eller nyde ubegrænset rigelig energi.
CERN-relateret virksomhed
CEVA
(CEVA )
CEVA er en sensorvirksomhed og partner med CERN, der bruger institutionens algoritme til at forbedre sine sensorers effektivitet og strømforbrug. 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
Hovedapplikationen af samarbejdet mellem CEVA og CERN er "Edge AI", eller kunstig intelligens-applikationer, der er installeret på enheder væk fra datacentrene (skyen) og tættere på forbrugerne (kanten).
Det er måske ikke overraskende at se partikelfysikalgoritmer blive genbrugt i AI-applikationer, da neurale netværk for eksempel blev brugt til at finde Higgs bosonpartiklen. Analyse af partikelacceleratordata skal udføres på stedet i stedet for i skyen på grund af den store mængde data, der produceres meget hurtigt.
Ceva hjalp CERN med at skabe nye kompressionsalgoritmer, der kan bruges i fremtidige eksperimenter og vil være i stand til at integrere denne nye teknologi i sine produkter.
"Takket være vores samarbejde med CERN var vi i stand til at udvikle en innovativ tilgang, der gør det muligt for netværkene at køre op til 15 gange hurtigere sammenlignet med 16-bit baseline-modeller.
Det forbedrer netværkshastigheden og reducerer energiforbruget med op til 90 %, samtidig med at det opretholder en sammenlignelig nøjagtighed.”
Dette er blot én af CEVAs teknologiske fremskridt, hvor virksomheden er aktiv inden for trådløs forbindelse, sensorer (vision, lyd, bevægelse) og neurale netværksalgoritmer.
Kilde: CEVA
CEVA drager stor fordel af den kombinerede trend med 5G-forbindelse (inklusive satellit 5G) og IoT (Internet of Things) med indlejrede AI-løsninger, både til industrielle løsninger og hjemmeløsninger. Det er også førende 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 savnes ofte af investorer, der er interesseret i IoT- og 5G-sektoren.
Det kan være en interessant virksomhed på kanten af den teknologiske udvikling inden for databehandling og edge AI, som illustreret af CERNs valg af den til at hjælpe med nogle af de mest komplekse dataanalyser, menneskeheden nogensinde har udført.
