CERN: Teilchen verstehen, um die moderne Welt zu erschaffen

CERN als Wurzel der modernen Wissenschaft

Die Europäische Organisation für Kernforschung (CERN) ist eine der weltweit bedeutendsten Einrichtungen für die Erforschung subatomarer Teilchen und grundlegender Physik.

Dies ist eine wichtige Arbeit, da die Quantenphysik und die Relativitätstheorie die grundlegenden Wissenschaften hinter vielen, wenn nicht den meisten technologischen Innovationen der modernen Welt sind, darunter Computer, Mobiltelefone, Laser, Telekommunikation, Satelliten, MRT, Sonnenkollektoren, moderne Mikroskope, Kernenergie usw.

Dies liegt daran, dass all diese Technologien ein tiefes Verständnis des Verhaltens von Atomen, Elektronen und anderen Teilchen im kleinsten Maßstab erfordern. Und diese sind alles andere als intuitiv und gehen weit über das vereinfachte Modell von Elektronen, die den Atomkern umkreisen, hinaus. Beispielsweise erfordert selbst das einfachste Atom, Wasserstoff, eine komplexe Gleichung, um das tatsächliche Verhalten seiner Elektronen zu beschreiben.

Quelle: Department of Energy

Darüber hinaus war die CERN eine wahrhaft globale und internationale wissenschaftliche Initiative, aus der viele andere Entdeckungen hervorgingen, darunter auch das Internet selbst.

Schließlich waren der Bau, der Betrieb und die Modernisierung der CERN-Einrichtungen ein wichtiger Motor für die Förderung von Forschung und Entwicklung in vielen fortgeschrittenen Wissenschaftsbereichen wie Supraleitern, Sensoren sowie ultrastarken Lasern und Magneten.

Ambitionierte Wissenschaft vom ersten Tag an

CERN wurde 1954 von 12 europäischen Ländern gegründet und trägt das französische Akronym „Europäischer Rat für Kernforschung“ gibt ihm seinen Namen.

Quelle: Wikipedia

Es wäre keine Übertreibung zu sagen, dass ein großer Teil der modernen Teilchenphysik in CERN geboren wurde, insbesondere:

• Die Entdeckung der schwachen Bosonen, die eine der vier Grundkräfte tragen, wurde 4 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.
• Die erste Erzeugung von Antiwasserstoffatomen.
• Die Entdeckung eines neuen Materiezustandes, des Quark-Gluon-Plasmas.
• Nobelpreis für Physik 1992 an einen CERN-Forscher für seine Erfindung und Entwicklung von Teilchendetektoren.
• Nobelpreis für Physik 2013 an CERN-Forscher für die Beschreibung und Beobachtung der Higgs-Bosonen (die den Teilchen ihre Masse verleihen).

Quelle: CERN

Heute sind 25 Länder Vollmitglieder des CERN und 10 assoziierte Mitglieder, was die erste Stufe auf dem Weg zu einer möglichen Vollmitgliedschaft darstellt. Hinzu kommen die engen Beziehungen zu drei Ländern mit Beobachterstatus (Japan, Russland, USA) sowie die Zusammenarbeit bzw. wissenschaftliche Kontakte mit fast jedem Land der Erde.

Am CERN sind 3,500 Menschen direkt beschäftigt, die größte Gruppe bilden Wissenschaftler und Ingenieure, gefolgt von Technikern und, je nach Führung und Erkenntnissen, knapp einhundert Forschungsphysikern.

Quelle: CERN

CERN-Infrastrukturen

Keine der Errungenschaften des CERN wäre ohne die erstklassige Ingenieursleistung möglich gewesen, die in den Bau seines Teilchenbeschleunigers und seiner Detektoren eingeflossen ist.

Teilchenbeschleuniger funktionieren, indem sie Teilchen in einem starken Vakuum bewegen, das frei von Luft oder Staub ist. Starke Elektromagnete und elektrische Felder beschleunigen die Teilchen und halten sie im Beschleuniger gefangen. Das beschleunigte Teilchen trifft, manchmal mit 99.9 % der Lichtgeschwindigkeit (299 Meter pro Sekunde / 792 Meilen pro Sekunde), entweder auf einen anderen Teilchenstrahl oder auf ein festes Ziel.

Die extreme Geschwindigkeit und Energie dieser Kollisionen ermöglichen es den Wissenschaftlern, mehr über die grundlegende Natur dieser Teilchen zu verstehen.

Quelle: Department of Energy

Der wichtigste Teilchenbeschleuniger des CERN ist heute der LHC (Large Hadron Collider) im schweizerischen Genf. Der LHC ist ein unterirdischer Tunnel mit einer Tiefe von 175 Metern und einem Umfang von 575 Kilometern.

In der Zukunft könnte er von einem noch größeren, 90 bis 100 Kilometer langen Beschleuniger in den Schatten gestellt werden, der unter dem Genfer See hindurch und rund um die ganze Stadt verläuft (mehr dazu weiter unten).

Quelle: Swisstopo

Heute betreibt das CERN zusätzlich zum „Haupt“-LHC noch 11 weitere Teilchenbeschleuniger für spezielle Forschungsarbeiten an schwereren Teilchen, Protonen, Plasma, zur Untersuchung instabiler Kerne usw. Diese Teilchenbeschleuniger ergänzen sich oft gegenseitig, wobei viele in einem komplexen, ineinandergreifenden System die benötigten Teilchen in die anderen „einspeisen“.

Quelle: CERN

Die Einrichtung verfügt außerdem über nicht weniger als 11 stillgelegte Teilchenbeschleuniger und -collider, die seit den 1950er Jahren gebaut wurden.

CERN-Technologie

LHC

Der LHC wurde aus wissenschaftlichen und finanziellen Gründen tief unter der Erde errichtet. Es ist günstiger, einen Tunnel zu graben, als einen Kreis von 27 Kilometern Durchmesser an Land zu erwerben, insbesondere in der teuren Region Genf. Die Gesteinsschichten schützen die Anlage zudem vor kosmischer und oberirdischer Strahlung.

Quelle: CERN

Der LHC ist der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger, der je gebaut wurde. Er verbraucht durchschnittlich 600 GWh pro Jahr, etwa die Hälfte des gesamten Energieverbrauchs des CERN von 1.3 TWh. Zum Vergleich: Frankreich verbraucht 500 TWh, die EU 3400 TWh und der Rest der Welt 20,000 TWh.

Der LHC lässt zwei Teilchenstrahlen, die sich jeweils mit annähernd Lichtgeschwindigkeit bewegen, miteinander kollidieren. Sie werden geführt und begrenzt von 9593 Supraleitungselektromagneten gekühlt mit flüssigem Helium auf -271.3 °C (-456.34 °F).

Der größte Teil des Energieverbrauchs bei diesem Vorgang geht auf die Elektromagneten zurück, sowohl für deren Betrieb als auch für den Energieaufwand zur Erzeugung dieser enormen Mengen flüssigen Heliums.

LHC-Ziele

Der LHC führte seine erste Kollision im Jahr 2008 durch und soll bis in die 2040er Jahre in Betrieb bleiben. Nach einem ersten Lauf, bei dem das Higgs-Boson entdeckt wurde, laufen derzeit umfangreiche Modernisierungs- und Wartungsarbeiten zur Vorbereitung auf den zweiten Lauf, bei dem die Leistung des LHC auf Kollisionen mit 13 TeV (Teraelektronenvolt) gesteigert werden soll.

Nach der Entdeckung des Higgs-Bosons wird der LHC voraussichtlich dazu beitragen, grundlegende Fragen über das Universum zu beantworten, einschließlich der Rolle und Natur der sogenannten dunklen Energie und dunklen Materie.

Die erreichten extremen Energieniveaus sollten uns auch Einblicke in das frühe Stadium des Universums in einem Zustand des „Quark-Gluon-Plasmas“ geben.

ATLAS

Eine wichtige Ergänzung des LHS ist der ATLAS-Partikeldetektor. Mit einer Länge von 46 Metern (150 Fuß) und einem Durchmesser von 25 Metern (82 Fuß) ist es der größte Partikeldetektor, der jemals gebaut wurde.

Die Detektoren enthalten über 100 Millionen empfindliche elektronische Kanäle zur Aufzeichnung der durch die Kollisionen erzeugten Partikel.

Es enthält viele Unterdetektoren, von denen jeder eine separate Rolle spielt, um gleichzeitig Photonen, Elektronen, Myonen, Pionen usw. zu erkennen.

Quelle: ATLAS

Mehr als 5900 Physiker, Ingenieure, Techniker, Studenten und Administratoren aus 180 wissenschaftlichen Institutionen aus mehr als 40 Ländern haben am Aufbau und Betrieb von ATLAS mitgearbeitet.

CERN – Technologien geboren

All diese Kilometer von Teilchenbeschleunigern haben der Menschheit im Laufe der Zeit viele nützliche Technologien beschert.

Die Erfindung des Internets

Die vielleicht einflussreichste Technologie, die jemals aus dem CERN hervorgegangen ist, war tatsächlich das Internet.

CERN entwickelte das TCP/IP-Protokoll für sein eigenes internes Netzwerk und Das Konzept des World Wide Web wurde am CERN von Tim Berners-Lee erfunden, wer hat das gemacht allererste Website (folgen Sie dem Link, um zu sehen, wie es aussah).

Ursprünglich war es als eine Möglichkeit für Forscher gedacht, Daten und Ideen einfacher auszutauschen.

Quelle: CERN

1993 bot CERN der Welt die World Wide Web-Software als öffentliches geistiges Eigentum an. Es sollte auch ein Pionier im Grid-Computing sein, dem Verfahren, bei dem eine Berechnung über mehrere, über das Internet verbundene Computer durchgeführt wird.

Paradoxerweise bestand einer der größten Beiträge der CERN, einer Forschungsorganisation für Teilchenbeschleuniger, darin, den freien Austausch allen Wissens, aller Daten und aller Software zu fördern, und nicht ein Experiment der Quantenphysik.

Medizinische Anwendungen

Eine Anwendung der CERN-Forschung ist ein tieferes Verständnis von Teilchenbeschleunigern. Kleinere Beschleuniger werden heute routinemäßig in Krankenhäusern für die Strahlentherapie bei Krebs eingesetzt. Kontinuierliche Forschung hat sie im Laufe der Zeit immer effizienter, kleiner und kostengünstiger gemacht.

Ein weiterer Beitrag zur Krebstherapie liegt im Bereich der Nuklearmedizin, also der Verwendung seltener Isotope zum Abtöten von Krebszellen.

Seit 2017 produziert die CERN-MEDICIS-Infrastruktur innovative Radioisotope speziell für medizinische Anwendungen und stellt sie Ärzten und Forschern zur Verfügung, die ihre Eignung für fortschrittliche Behandlungen und Bildgebung beurteilen können.

Einige dieser Radioisotope werden ausschließlich am CERN hergestellt.

Ein weiteres Gebiet, in dem die Teilchenphysik eine entscheidende Rolle spielt, ist die medizinische Bildgebung – von Röntgenstrahlen über MRT und PET-Scans bis hin zur Computertomographie (CT).

Zahlreiche Verbesserungen in der Hadronen-Radiotherapie sowie in der medizinischen Bildgebungg, stammten direkt von den für den ATLAS-Teilchendetektor entwickelten Sensoren.

Während der Covid-Pandemie entwickelte das CERN ein Open-Source-Tool (COVID Airborne Risk Assessment Tool – CARA), um die Virenkonzentration in geschlossenen Räumen mit unterschiedlichen Parametern wie Raumgröße, im Raum verbrachte Zeit, Maskentragen, Personenzahl und Belüftung zu modellieren.

Energy & Green Tech

CERN arbeitet mit Airbus zusammen und bringt sein Fachwissen im Bereich supraleitender Kabel für potenziell leichtere Flugzeuge oder sogar Elektroflugzeuge ein.

Die Erfahrungen der Institution mit Materialtests bei extrem niedrigen Temperaturen sind auch nützlich, um das Potenzial von Wasserstoff im Flugzeugtransport zu testen.

CERN arbeitet auch eng mit ITER zusammen, dem weltweit größten Kernfusionsprojekt. das im Erfolgsfall eine unbegrenzte Versorgung mit sauberer Energie bieten könnte. Wenn man bedenkt, dass die Kernfusion größtenteils auf ultrastarken Magneten und supraleitenden Materialien beruht, ist die Überschneidung mit der Expertise des CERN offensichtlich.

Auftragsverarbeitung

Bei der Erkennung von Partikeln entsteht in Mikrosekunden eine enorme Datenmenge. Problematischer ist, dass diese 40 Terabyte pro Sekunde unmöglich für eine spätere Verarbeitung gespeichert werden können.

Dies hat dazu geführt, dass die CERN-Wissenschaftler zu Experten in der Entwicklung von Algorithmen geworden sind, die spontan entscheiden können, welche Daten am interessantesten sind.

CERN arbeitet zusammen mit Unternehmen wie CEVA (Sensoren) oder ABB Motoren solche Algorithmen zu verwenden, um den Energieverbrauch der in der Entwicklung befindlichen Einrichtungen und Geräte des CERN zu optimieren.

Dies wird auch von der Autosicherheitsfirma verwendet Zenseact um autonome Fahrsysteme mit geringer Latenz zu entwickeln.

Die gleichen Prinzipien werden auch bei Drohnen und Robotersystemen im Allgemeinen angewendet, insbesondere bei der Firma Terabee.

Luft- und Raumfahrt

CERN verfügt über langjährige Erfahrung im Umgang mit intensiven und manchmal exotischen Formen von Strahlung, die von seinen Geräten und Experimenten erzeugt werden.

Dies kann in praktischen Anwendungen zum Strahlenschutz von Satelliten und bemannten Experimenten im Weltraum genutzt werden, oft in Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumorganisation (ESA).

Beispielsweise verfügt CERN über die einzige Anlage auf der Erde, die die raue Strahlungsumgebung des Jupiters nachbilden kann.

Andere Anwendungen

Die Anforderungen des CERN, alle seine Teilchendetektoren und -systeme auf die Nanosekunde genau zu synchronisieren, haben das Institut auch auf diesem Gebiet zu einem Experten gemacht.

Die Open-Source-Standards für die „CERN-Zeitsynchronisierung“ können in der Telekommunikation, auf Finanzmärkten und in Quantennetzwerken eingesetzt werden. Beispielsweise können Handelsanbieter Deutsche Börse verwendet es in der Infrastruktur seines Handelssystems.

Fachwissen

CERN fungiert auch als Bildungsressource für fortgeschrittene Naturwissenschaften und Physik.

Hierzu gehört die kostenlose Bereitstellung ein 3D-druckbares Modell der Ausrüstung, erklärende Cartoons und Comics sowie Unterrichtsmaterialien für Lehrer.

Parallel dazu stellt es kostenlos ein eigenes flexibles, leistungsstarkes Open-Source-Framework für digitale Bibliotheken bereit, das heute von Bibliotheken, Universitäten und Institutionen weltweit verwendet wird.

CERN unterhält das weltweit größte allgemeine Forschungsarchiv, das auf demselben digitalen Bibliotheksrahmen basiert. Dieses benutzerfreundliche Archiv ermöglicht es Wissenschaftlern aller Fachrichtungen, ihre Forschungsergebnisse zu bewahren und zu teilen.

Das Engagement des CERN für den Wissensaustausch zeigt sich auch in seiner Ausgründung Orvium, eine Veröffentlichungsinfrastruktur für Open-Source- und dezentrale wissenschaftliche Veröffentlichungen.

Darüber hinaus bietet das CERN Lehrführungen durch die Anlagen, ein örtliches Museum und Kunstausstellungen an.

Zukünftige Infrastrukturen und Erfolge des CERN

LHC mit hoher Leuchtkraft (HL–LHC)

Während die Forscher und Techniker des CERN hart daran arbeiten, das Beste aus den aktuellen Installationen herauszuholen, überlegen sie gleichzeitig, welche nächsten Schritte sie unternehmen werden.

Der erste wird der sein „High Luminosity LHC“ oder HL-LHC, ein Upgrade, das die Leuchtkraft des LHC um das Zehnfache steigern soll. Beispielsweise wird der High-Luminosity LHC mindestens 10 Millionen Higgs-Bosonen pro Jahr produzieren, verglichen mit rund drei Millionen beim LHC im Jahr 15.

Quelle: CERN

Das Upgrade wird Verbesserungen bei Magneten, Supraleiterverbindungen, verstärkten Schutz und besseren Beschleunigern umfassen.

HL-LHC sollte Mitte der 2030er Jahre betriebsbereit sein, da die Bauarbeiten im April 2018 begannen. erhielt seine ersten Magnete im Dezember 2024.

Zukünftiger Circular Collider (FCC)

Nach dem LHC wird ein gigantischer 90km-Entwurf als nächster Schritt bei den Teilchenbeschleunigern erwartet, genannt der Future Circular Collider (FFC). Es wird in einer durchschnittlichen Tiefe von 200 Metern (656 Fuß) gebaut.

Die ersten Experimente werden 15 Jahre dauern und Mitte der 2040er Jahre mit dem FCC-ee, einem Elektron-Positron-Collider, beginnen. Der Stromverbrauch des FCC-ee wird voraussichtlich zwischen 1 und 1.8 TWh/Jahr variieren.

Eine zweite Maschine, der FCC-hh, ein Proton-Proton-Collider, soll im selben Tunnel installiert werden, in den 2070er Jahren starten und mehr als 25 Jahre laufen.

Das gesamte Projekt wird voraussichtlich rund 15 Milliarden Franken kosten, verteilt auf 15 Jahre. Die endgültige Fertigstellung der Machbarkeitsstudie ist für 2025 geplant. Die endgültige Entscheidung des CERN-Komitees soll 2027-2028 erfolgen, und der Bau soll in den 2030er Jahren beginnen.

Die FCC könnte Teilchen untersuchen, die von Theorien vorhergesagt wurden, die über das Standardmodell der Teilchenphysik, was entweder empfindlichere Detektoren oder eine stärkere Beschleunigung erfordern würde.

Dieses tiefere Verständnis der Physik wird wahrscheinlich entscheidend dazu beitragen, die Leistung von Computern zu verbessern und neue Möglichkeiten für die Materialwissenschaften zu eröffnen. Und auf diese Weise kann die Menschheit zu einer wirklich fortschrittlichen Zivilisation werden, die in der Lage ist, die Sterne zu navigieren, echte künstliche Intelligenz zu schaffen oder unbegrenzte Energiereserven zu nutzen.

Mit CERN verbundenes Unternehmen

CEVA

CEVA ist ein Sensorunternehmen und Partner des CERN, um mithilfe des Institutsalgorithmus die Effizienz und den Stromverbrauch seiner Sensoren zu verbessern. CEVA-Lösungen und IP (200 Patente) sind in 18 Milliarden Geräten integriert.

Die Lösungen des Unternehmens werden von vielen der führenden Elektronikmarken auf der ganzen Welt verwendet.

Quelle: CEVA

Die Hauptanwendung der Zusammenarbeit zwischen CEVA und CERN ist „Edge AI“ oder künstliche Intelligenzanwendungen, die auf Geräten außerhalb der Rechenzentren (der Cloud) und näher an den Verbrauchern (dem Edge) bereitgestellt werden.

Es ist vielleicht nicht überraschend, dass Algorithmen der Teilchenphysik in KI-Anwendungen wiederverwendet werden, da neuronale Netzwerke beispielsweise bei der Entdeckung des Higgs-Boson-Teilchens eingesetzt wurden. Die Analyse von Teilchenbeschleunigerdaten muss aufgrund der enormen Datenmenge, die sehr schnell erzeugt wird, vor Ort und nicht in der Cloud erfolgen.

Ceva hat dem CERN dabei geholfen, neue Komprimierungsalgorithmen zu entwickeln, die in zukünftigen Experimenten eingesetzt werden können, und wird in der Lage sein, diese neue Technologie in seine Produkte zu integrieren.

„Dank unserer Zusammenarbeit mit CERN konnten wir einen innovativen Ansatz entwickeln, der es den Netzwerken ermöglicht, im Vergleich zu 15-Bit-Basismodellen bis zu 16-mal schneller zu laufen.

Es verbessert die Netzwerkgeschwindigkeit und reduziert den Energieverbrauch um bis zu 90 %, während die Genauigkeit vergleichbar bleibt.“

Olya Sirkin – Senior Deep Learning Forscherin bei Ceva

Dies ist nur einer der technologischen Fortschritte von CEVA. Das Unternehmen ist in den Bereichen drahtlose Konnektivität, Sensoren (Bild, Audio, Bewegung) und neuronale Netzwerkalgorithmen aktiv.

Quelle: CEVA

CEVA profitiert stark vom kombinierten Trend der 5G-Konnektivität (einschließlich 5G über Satellit) und des IoT (Internet of Things) mit eingebetteten KI-Lösungen, sowohl für Industrie- als auch für Heimanwendungen. Das Unternehmen ist außerdem führend bei WiFi 6-Lösungen und hat eine führende Position bei WiFi 7.

Quelle: Ruije

Als Software- und IP-Unternehmen ist CEVA bekannt und wird von Investoren, die sich für die IoT- und 5G-Sektoren interessieren, oft übersehen.

Es kann ein interessantes Unternehmen an der Spitze des technologischen Fortschritts in der Datenverarbeitung und Edge-KI sein, wie die Auswahl des Unternehmens durch CERN zur Unterstützung einiger der komplexesten Datenanalysen zeigt, die die Menschheit je durchgeführt hat.