Megaprojekte
CERN: Verständnis von Teilchen zum Aufbau der modernen Welt
CERN als Wurzel der modernen Wissenschaft
Die Europäische Organisation für Kernforschung, oder CERN, ist eine der wichtigsten Einrichtungen der Welt für die Erforschung von subatomaren Teilchen und fundamentaler Physik.
Diese Arbeit ist wichtig, da Quantenphysik und Relativität die grundlegenden Wissenschaften hinter vielen, wenn nicht den meisten, technologischen Innovationen der modernen Welt sind, einschließlich Computer, Mobiltelefone, Laser, Telekommunikation, Satelliten, MRT, Solarmodule, fortschrittliche 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, da sie weit über das vereinfachte Modell von Elektronen hinausgehen, die den Atomkern umkreisen. Zum Beispiel erfordert sogar das einfachste mögliche Atom, Wasserstoff, eine komplexe Gleichung, um zu beschreiben, wie seine Elektronen tatsächlich verhalten.
Quelle: Department of Energy
CERN ist auch ein wirklich globales und internationales wissenschaftliches Vorhaben, aus dem viele andere Entdeckungen, einschließlich des Internets selbst, hervorgegangen sind.
Zuletzt sind der Bau, Betrieb und die Aufrüstung der CERN-Anlagen ein wichtiger Treiber für die Forschung und Entwicklung in vielen fortgeschrittenen wissenschaftlichen Bereichen wie Supraleitern, Sensoren und ultrastarken Lasern und Magneten.
Ambitionierte Wissenschaft von Anfang an
CERN wurde 1954 von 12 europäischen Ländern gegründet, mit dem französischen Akronym “Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire“, das ihm seinen Namen gab.
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 4 fundamentalen Kräfte tragen, wurde 1984 mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet.
- Die erste Erzeugung von Antihydrogen-Atomen.
- Die Entdeckung eines neuen Aggregatzustands, 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 (verantwortlich für die Masse von Teilchen).
Quelle: CERN
Heute umfasst CERN 25 Länder als vollwertige Mitglieder und 10 assoziierte Mitglieder, was der erste Schritt vor einer möglichen Vollmitgliedschaft ist. Dazu kommen die engen Beziehungen zu 3 Ländern mit Beobachterstatus (Japan, Russland, USA) und die Zusammenarbeit oder wissenschaftliche Kontakte mit fast jedem Land auf der Erde.
CERN beschäftigt direkt 3.500 Menschen, die größte Gruppe besteht aus Wissenschaftlern und Ingenieuren, gefolgt von Technikern, die den Anweisungen und Erkenntnissen eines kleinen Teams von weniger als hundert Forschungsphysikern folgen.
Quelle: CERN
CERN-Infrastrukturen
Keine der Errungenschaften von CERN wäre ohne die weltklasse-Technik möglich gewesen, die in den Bau seiner Teilchenbeschleuniger und Detektoren investiert wurde.
Teilchenbeschleuniger funktionieren, indem sie Teilchen in einem starken Vakuum bewegen, frei von jeder Luft oder Staub. Starke Elektromagnete und elektrische Felder beschleunigen die Teilchen und halten sie im Beschleuniger gefangen. Das beschleunigte Teilchen, manchmal mit 99,9% der Geschwindigkeit des Lichts (299 792 458 Meter pro Sekunde / 186.000 Meilen pro Sekunde), trifft entweder auf einen anderen Teilchenstrahl oder ein festes Ziel.
Die extreme Geschwindigkeit und Energie in diesen Kollisionen ermöglichen es Wissenschaftlern, mehr über die fundamentale Natur dieser Teilchen zu verstehen.
Quelle: Department of Energy
Heute ist der Haupt-Teilchenbeschleuniger von CERN der LHC (Large Hadron Collider), der in Genf, Schweiz, liegt. Der LHC ist ein unterirdischer Tunnel, der so tief wie 175 Meter (575 Fuß) reicht und einen Kreis von 27 Kilometern (17 Meilen) im Umfang bildet.
In der Zukunft könnte er von einem noch größeren 90-100km-Beschleuniger in den Genfer See und um die ganze Stadt herum (mehr darüber unten) übertroffen werden.
Quelle: Swisstopo
Heute betreibt CERN, neben dem “Haupt”-LHC, 11 andere Teilchenbeschleuniger für spezifische Forschungsbedürfnisse an schwereren Teilchen, Protonen, Plasma, Studium von instabilen Kernen usw. Diese Teilchenbeschleuniger ergänzen sich oft gegenseitig, wobei viele “füttern” die erforderlichen Teilchen in die anderen in einem komplexen ineinander greifenden System.
Quelle: CERN
Die Einrichtung hat auch nicht weniger als 11 stillgelegte Teilchenbeschleuniger und Kollidierer, die seit den 1950er Jahren gebaut wurden.
CERN-Technologie
LHC
Die tiefe unterirdische Lage des LHC resultierte aus einer Mischung von wissenschaftlichen und finanziellen Gründen. Es ist billiger, einen Tunnel zu graben, als einen Kreis von 27km Durchmesser an Oberflächenland zu erwerben, insbesondere in der teuren Gegend von Genf. Die Gesteinsschichten schützen die Anlage auch vor kosmischer und Oberflächenstrahlung.
Quelle: CERN
Der LHC ist der stärkste Teilchenbeschleuniger, der jemals gebaut wurde. Er verbraucht im Durchschnitt 600 GWH pro Jahr, etwa die Hälfte des gesamten Energieverbrauchs von CERN von 1,3 TWh. Um es in Perspektive zu setzen, verbraucht ganz Frankreich 500 TWh, die EU 3400 TWh und die Welt 20.000 TWh.
Der LHC erzeugt 2 Teilchenstrahlen, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinander prallen. Sie werden von 9593 supraleitenden Elektromagneten geführt und gehalten, die mit flüssigem Helium bei -271,3°C (-456,34°F) gekühlt werden.
Der größte Teil des Energieverbrauchs des Betriebs entfällt auf die Elektromagnete, sowohl für den Betrieb als auch für die Energie, die zur Erzeugung dieser enormen Menge an flüssigem Helium benötigt wird.
LHC-Ziele
Der LHC führte 2008 seine erste Kollision durch und soll bis in die 2040er Jahre in Betrieb bleiben. Nach einem ersten Lauf, der die Entdeckung des Higgs-Bosons einschloss, wird er derzeit einer massiven Aufrüstung und Wartungsarbeit unterzogen, um sich auf den zweiten Lauf vorzubereiten, der die Leistung des LHC auf 13 TeV (Tera-Elektronenvolt)-Kollisionen steigern wird.
Nach der Entdeckung des Higgs-Bosons soll der LHC dazu beitragen, grundlegende Fragen über das Universum zu beantworten, einschließlich der Rolle und Natur der sogenannten dunklen Energie und dunklen Materie.
Die extremen Energieniveaus sollten auch Einblicke in die frühe Phase des Universums geben, in einem Zustand von “Quark-Gluon-Plasma”.
ATLAS
Ein wichtiger Ergänzung zum LHS ist der ATLAS-Teilchendetektor. Er ist der größte Teilchendetektor, der jemals gebaut wurde, mit 46 Metern (150 Fuß) Länge und 25 Metern (82 Fuß) Durchmesser.
Die Detektoren enthalten 100+ Millionen empfindliche elektronische Kanäle, um die Teilchen zu erfassen, die durch die Kollisionen erzeugt werden.
Er enthält viele Unterdetektoren, von denen jeder eine separate Rolle spielt, um gleichzeitig Photonen, Elektronen, Myonen, Pionen usw. zu erfassen.
Quelle: ATLAS
5900+ Physiker, Ingenieure, Techniker, Studenten und Administratoren haben am Bau und Betrieb von ATLAS gearbeitet, die 180 wissenschaftliche Institutionen aus 40+ Ländern vertreten.
CERN – Technologien, die geboren wurden
All diese Kilometer von Teilchenbeschleunigern haben im Laufe der Zeit viele nützliche Technologien für die Menschheit hervorgebracht.
Erfindung des Internets
Vielleicht die bedeutendste Technologie, die jemals aus CERN hervorging, war das Internet; wirklich.
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, der die erste Website erstellte (folgen Sie dem Link, um zu sehen, wie es aussah).
Es wurde ursprünglich als Möglichkeit für Forscher entwickelt, Daten und Ideen leichter auszutauschen.
Quelle: CERN
1993 bot CERN die World-Wide-Web-Software der Welt als öffentliches geistiges Eigentum an. Es wäre auch ein Pionier in Grid-Computing, dem Prozess der Durchführung einer Berechnung durch mehrere Computer, die über das Web verbunden sind.
So ist es vielleicht paradox, dass einer der größten Beiträge von CERN, einer Teilchenbeschleuniger-Forschungsorganisation, die Förderung des freien Austauschs aller Kenntnisse, Daten und Software war, anstatt eines Quantenphysik-Experiments.
Medizinische Anwendungen
Eine Anwendung der Forschung von CERN ist ein tieferes Verständnis von Teilchenbeschleunigern. Kleiner-Größe-Beschleuniger werden jetzt routinemäßig in Krankenhäusern für Strahlentherapie bei Krebsbehandlungen eingesetzt. Kontinuierliche Forschung hat sie im Laufe der Zeit immer effizienter, kleiner und billiger gemacht.
Ein weiterer Beitrag zur Krebsbehandlung ist auf dem Gebiet der Nuklearmedizin, oder der Verwendung seltener Isotope, um Krebszellen zu töten.
Einige dieser Radioisotope werden einzigartig am CERN produziert.
Medizinische Bildgebung ist ein weiteres Feld, in dem Teilchenphysik von entscheidender Bedeutung ist, von Röntgenstrahlen bis hin zu MRT, PET-Scans und Computertomographie (CT).
Während der Covid-Pandemie entwickelte CERN ein Open-Source-Tool (COVID-Airborne-Risikobewertungstool – CARA), um die Virus-Konzentration in geschlossenen Räumen mit verschiedenen Parametern wie Raumgröße, Zeit, die im Raum verbracht wird, Maskentragen, Anzahl der Personen und Belüftung zu modellieren.
Energie und Grüne Technologie
CERN arbeitet mit Airbus zusammen, indem es seine Expertise für supraleitende Kabel für potenziell leichtere Flugzeuge oder sogar elektrische Flugzeuge einbringt.
Die Erfahrung der Einrichtung bei der Prüfung von Materialien bei extrem niedrigen Temperaturen ist auch nützlich für die Prüfung des Potenzials von Wasserstoff im Flugverkehr.
CERN arbeitet auch eng mit ITER, dem weltweit größten Fusionsprojekt, das eine unbegrenzte Menge an sauberer Energie bieten könnte, wenn es erfolgreich ist. Angesichts dessen, dass Kernfusion hauptsächlich auf ultrastarken Magneten und Supraleitermaterialien basiert, ist der Überschneidungsbereich mit CERNs Expertise offensichtlich.
Datenaufbereitung
Wenn Teilchen erfasst werden, ist der Datenfluss, der in Mikrosekunden erzeugt wird, enorm. Noch problematischer ist, dass diese 40 Terabyte pro Sekunde nicht gespeichert werden können, um sie später zu verarbeiten.
Dies hat dazu geführt, dass die CERN-Wissenschaftler Experten im Entwerfen von Algorithmen geworden sind, die entscheiden können, welche Daten am interessantesten sind, während sie verarbeitet werden.
CERN arbeitet mit Unternehmen wie CEVA (Sensoren) oder ABB Motors zusammen, um solche Algorithmen zu verwenden, um den Energieverbrauch der CERN-Anlagen und -Geräte zu optimieren.
Dies wird auch von der Autosicherheitsfirma Zenseact verwendet, um Low-Latency-Autonomes-Fahren-Systeme zu entwickeln.
Die gleichen Prinzipien werden auf Drohnen und Robotik-Systeme im Allgemeinen angewendet, insbesondere mit dem Unternehmen Terabee.
Luft- und Raumfahrt
CERN hat langjährige Erfahrung im Umgang mit intensiver und manchmal exotischer Strahlung, die von seinen Geräten und Experimenten erzeugt wird.
Dies kann in praktischen Anwendungen für Strahlenschutz von Satelliten und bemannten Experimenten im Weltraum genutzt werden, oft in Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumorganisation (ESA).
Zum Beispiel verfügt CERN über die einzige Anlage auf der Erde, die die harte Strahlungsumgebung des Jupiter nachbilden kann.
Andere Anwendungen
CERNs Anforderungen, alle seine Teilchendetektoren und Systeme in perfekter Synchronisation bis zur Nanosekunde zu haben, haben es zu einem Experten auf diesem Gebiet gemacht.
Die Open-Source-“CERN-geborene Zeit-Synchronisations”-Standards können in der Telekommunikation, den Finanzmärkten und Quantennetzen verwendet werden. Zum Beispiel verwendet der Handelsanbieter Deutsche Börse es in seiner Handels-System-Infrastruktur.
Bildung
CERN dient auch als Bildungsressource für fortgeschrittene Wissenschaften und Physik.
Dies umfasst die kostenlose Bereitstellung eines 3D-druckbaren Modells seiner Ausrüstung, erklärender Cartoons und Comic-Bücher sowie Klassenmaterialien für Lehrer.
Gleichzeitig stellt es seine eigene flexible, leistungsstarke, Open-Source-Digitalbibliotheks-Plattform kostenlos zur Verfügung, die heute von Bibliotheken, Universitäten und globalen Institutionen verwendet wird.
Die Hingabe von CERN, Wissen zu teilen, zeigt sich auch in seinem Spin-off Orvium, einer Publikations-Infrastruktur für Open-Source- und dezentralisierte wissenschaftliche Veröffentlichungen.
Schließlich bietet CERN Bildungstouren durch die Anlagen, ein lokales Museum und Kunstausstellungen an.
CERN-Zukunfts-Infrastrukturen und Errungenschaften
High-Luminosity-LHC (HL-LHC)
Während die CERN-Forscher und -Techniker hart daran arbeiten, so viel wie möglich aus den aktuellen Anlagen zu gewinnen, blicken sie gleichzeitig auf die nächsten Schritte.
Der erste davon wird der “High-Luminosity-LHC” oder HL-LHC sein, eine Aufrüstung, die die Luminosität des LHC um das 10-fache steigern soll. Zum Beispiel wird der High-Luminosity-LHC mindestens 15 Millionen Higgs-Bosonen pro Jahr produzieren, im Vergleich zu etwa drei Millionen vom LHC im Jahr 2017.
Quelle: CERN
Die Aufrüstung wird Verbesserungen in Magneten, Supraleiter-Verbindungen, verstärktem Schutz und besseren Beschleunigern umfassen.
HL-LHC soll in den mittleren 2030er Jahren in Betrieb gehen, da die Bauarbeiten im April 2018 begonnen haben und seine ersten Magnete im Dezember 2024 erhalten hat.
Zukünftiger Kreisbeschleuniger (FCC)
Nach dem LHC wird ein gigantischer 90km-Entwurf der nächste Schritt in der Teilchenbeschleuniger-Entwicklung sein, der als zukünftiger Kreisbeschleuniger (FCC) bezeichnet wird. Er wird in einer durchschnittlichen Tiefe von 200 Metern (656 Fuß) gebaut.
Die ersten Experimente werden 15 Jahre lang durchgeführt, beginnend in den mittleren 2040er Jahren mit dem FCC-ee, einem Elektron-Positron-Beschleuniger. Die Leistungsaufnahme des FCC-ee wird zwischen 1 und 1,8 TWh/Jahr variieren.
Eine zweite Maschine, der FCC-hh, ein Proton-Proton-Beschleuniger, wird in dem gleichen Tunnel installiert und in den 2070er Jahren in Betrieb genommen, um mehr als 25 Jahre zu laufen.
Das gesamte Projekt wird voraussichtlich etwa 15 Milliarden CHF kosten, die über 15 Jahre verteilt werden. Die endgültige Fertigstellung der Machbarkeitsstudie wird für 2025 erwartet, und eine endgültige Entscheidung durch das CERN-Komitee wird für 2027-2028 erwartet, und der Bau wird in den 2030er Jahren beginnen.
Der FCC könnte Teilchen untersuchen, die von Theorien vorhergesagt werden, die über das Standardmodell der Teilchenphysik hinausgehen, was entweder empfindlichere Detektoren oder leistungsstärkere Beschleuniger erfordern würde.
Dieses tiefe Verständnis der Physik wird wahrscheinlich entscheidend sein, um die Leistung von Computern zu verbessern und neue Möglichkeiten für die Materialwissenschaft zu eröffnen. Und indem es dies tut, ermöglicht es der Menschheit, eine wirklich fortschrittliche Zivilisation zu werden, die in der Lage ist, die Sterne zu befahren, künstliche Intelligenz zu schaffen oder unbegrenzt reiche Energie zu genießen.
CERN-zugehöriges Unternehmen
CEVA
(CEVA )
CEVA ist ein Sensor-Unternehmen und Partner von CERN, um die Algorithmen der Institution zu nutzen, um die Effizienz und den Energieverbrauch seiner Sensoren zu verbessern. Die Lösungen und IP (200 Patente) von CEVA 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 Intelligenz-Anwendungen, die auf Geräten außerhalb der Rechenzentren (der Cloud) und näher bei den Verbrauchern (der Edge) eingesetzt werden.
Es mag nicht überraschend sein, dass Algorithmen der Teilchenphysik in AI-Anwendungen wiederverwendet werden, da neuronale Netze beispielsweise zur Entdeckung des Higgs-Boson-Teilchens verwendet wurden. Die Analyse von Teilchenbeschleuniger-Daten muss vor Ort und nicht in der Cloud durchgeführt werden, aufgrund der enormen Menge an Daten, die sehr schnell produziert werden.
Ceva half CERN, neue Komprimierungsalgorithmen zu entwickeln, die in zukünftigen Experimenten verwendet werden können und die in ihre Produkte integriert werden können.
“Dank unserer Zusammenarbeit mit CERN konnten wir einen innovativen Ansatz entwickeln, der es den Netzen ermöglicht, bis zu 15-mal schneller zu laufen als die 16-Bit-Baselinien-Modelle.
Es verbessert die Netzwerkgeschwindigkeit und reduziert den Energieverbrauch um bis zu 90%, während es eine vergleichbare Genauigkeit beibehält.”
Dies ist nur einer von CEVAs technologischen Fortschritten, da das Unternehmen in drahtloser Konnektivität, Sensoren (Bild, Audio, Bewegung) und neuronalen Netzwerk-Algorithmen tätig ist.
Quelle: CEVA
CEVA profitiert stark von dem kombinierten Trend von 5G-Konnektivität (einschließlich Satelliten-5G) und IoT (Internet der Dinge) mit eingebetteten AI-Lösungen, sowohl für industrielle als auch für Hausanwendungen. Es ist auch ein Leader in WiFi-6-Lösungen und hat eine führende Position in WiFi 7.
Quelle: Ruijie
Als Software- und IP-Unternehmen ist CEVA gut bekannt und wird oft von Investoren übersehen, die an IoT- und 5G-Sektoren interessiert sind.
Es kann ein interessantes Unternehmen an der Spitze des technologischen Fortschritts in der Datenaufbereitung und Edge-AI sein, wie durch die Auswahl von CERN zur Unterstützung bei einigen der komplexesten Datenanalysen, die jemals von der Menschheit durchgeführt wurden, verdeutlicht.
