Megaproyectos
CERN: Entendiendo las Partículas para Construir el Mundo Moderno
CERN como la raíz de la ciencia moderna
The European Organization for Nuclear Research, or CERN, has been one of the most important facilities in the world for the study of subatomic particles and fundamental physics.
Este es un trabajo importante, ya que la física cuántica y la relatividad han sido las ciencias fundamentales detrás de muchas, si no la mayoría, de las innovaciones tecnológicas del mundo moderno, incluyendo computadoras, teléfonos móviles, láseres, telecomunicaciones, satélites, resonancia magnética, paneles solares, microscopios avanzados, energía nuclear, etc.
Esto se debe a que todas estas tecnologías requieren una comprensión profunda del comportamiento de átomos, electrones y otras partículas a la escala más pequeña. Y esos comportamientos no son intuitivos, van mucho más allá del modelo simplificado de electrones orbitando el núcleo del átomo. Por ejemplo, incluso el átomo más simple posible, el hidrógeno, requiere una ecuación compleja para describir cómo se comportan realmente sus electrones.
Fuente: Department of Energy
El CERN también ha sido una iniciativa científica verdaderamente global e internacional de la que han surgido muchos otros descubrimientos, incluido el propio Internet.
Por último, la construcción, operación y actualización de las instalaciones del CERN han sido un motor importante para impulsar la investigación y la ingeniería en muchos campos científicos avanzados como superconductores, sensores y láseres y imanes ultra potentes.
Ciencia ambiciosa desde el primer día
CERN fue fundado en 1954 por 12 países europeos, con el acrónimo en francés “Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire” que le dio su nombre.
Fuente: Wikipedia
No sería una exageración decir que una gran parte de la física de partículas moderna nació en el CERN, notablemente:
- El descubrimiento de los bosones débiles que transportan una de las 4 fuerzas fundamentales, galardonado con el Premio Nobel de Física en 1984.
- La primera creación de átomos de antihidrógeno.
- El descubrimiento de un nuevo estado de la materia, el plasma de quarks y gluones.
- Premio Nobel de Física de 1992 a un investigador del CERN por su invención y desarrollo de detectores de partículas.
- Premio Nobel de Física de 2013 a investigadores del CERN por la descripción y observación del bosón de Higgs (responsable de dar masa a las partículas).
Fuente: CERN
Hoy, el CERN involucra a 25 países como miembros plenos y 10 miembros asociados, que es el primer paso antes de una posible membresía plena. A esto también se deben añadir la estrecha relación con 3 países con estatus de observador (Japón, Rusia, EE. UU.) y la colaboración o contacto científico con casi todos los países del planeta.
El CERN emplea directamente a 3 500 personas, el grupo más grande está formado por científicos e ingenieros, seguido de técnicos, y con un poco menos de una centena de físicos investigadores.
Fuente: CERN
Infraestructuras del CERN
Ninguno de los logros del CERN habría sido posible sin la ingeniería de clase mundial que se empleó para construir su acelerador de partículas y sus detectores.
Los aceleradores de partículas funcionan moviendo partículas en un fuerte vacío, libre de aire o polvo. Potentes electroimanes y campos eléctricos aceleran las partículas y las mantienen confinadas en el acelerador. La partícula acelerada, a veces al 99,9 % de la velocidad de la luz (299 792 458 metros por segundo / 186 000 millas por segundo), impacta contra otro haz de partículas o contra un objetivo fijo.
La velocidad y energía extremas en estas colisiones permiten a los científicos comprender más sobre la naturaleza fundamental de estas partículas.
Fuente: Department of Energy
Hoy, el principal acelerador de partículas del CERN es el LHC (Large Hadron Collider), ubicado en Ginebra, Suiza. El LHC es un túnel subterráneo de hasta 175 metros (575 pies) de profundidad, formando un círculo de 27 kilómetros (17 millas) de circunferencia.
En el futuro, podría quedar eclipsado por un acelerador aún mayor de 90‑100 km que pasará bajo el lago de Ginebra y rodeará la ciudad (más detalles a continuación).
Fuente: Swisstopo
Hoy, además del LHC “principal”, el CERN opera 11 aceleradores de partículas adicionales para necesidades de investigación específicas en partículas más pesadas, protones, plasma, estudio de núcleos inestables, etc. Estos aceleradores a menudo se complementan entre sí, con muchos “alimentando” las partículas requeridas a los demás en un complejo sistema interconectado.
Fuente: CERN
La institución también cuenta con no menos de 11 aceleradores y colisionadores desmantelados construidos desde la década de 1950.
Tecnología del CERN
LHC
La ubicación profunda bajo tierra del LHC se debe a una combinación de razones científicas y financieras. Es más barato excavar un túnel que adquirir un círculo de 27 km de diámetro de terreno superficial, especialmente en la costosa región de Ginebra. Las capas de roca también protegen la instalación de la radiación cósmica y de superficie.
Fuente: CERN
El LHC es el acelerador de partículas más potente jamás construido. Consume, en promedio, 600 GWh al año, alrededor de la mitad del consumo total de energía del CERN de 1,3 TWh. Para ponerlo en perspectiva, toda Francia consume 500 TWh, la UE 3 400 TWh y el mundo 20 000 TWh.
El LHC genera 2 haces de partículas, cada uno viajando cerca de la velocidad de la luz, que colisionan entre sí. Son guiados y confinados por 9 593 electroimanes superconductores enfriados con helio líquido a -271,3 °C (-456,34 °F).
La mayor parte del consumo energético de la operación se debe a los electroimanes, tanto para operarlos como para la energía necesaria para producir la enorme cantidad de helio líquido.
Objetivos del LHC
El LHC realizó su primera colisión en 2008 y se espera que opere hasta la década de 2040. Después de una primera fase que incluyó el descubrimiento del bosón de Higgs, está en marcha una gran actualización y trabajo de mantenimiento para preparar la segunda fase, que elevará los niveles de energía del LHC a colisiones de 13 TeV (teraelectronvoltios).
Tras el descubrimiento del bosón de Higgs, se espera que el LHC ayude a responder preguntas fundamentales sobre el Universo, incluido el papel y la naturaleza de la llamada energía oscura y materia oscura.
Los niveles de energía extremos también deberían proporcionarnos información sobre la etapa temprana del Universo, en un estado de “plasma de quarks y gluones”.
ATLAS
Un complemento clave al LHC es el detector de partículas ATLAS. Es el detector de partículas más grande jamás construido, con 46 metros (150 pies) de longitud y 25 metros (82 pies) de diámetro.
Los detectores contienen más de 100 millones de canales electrónicos sensibles para registrar las partículas producidas por las colisiones.
Incluye muchos subdetectores, cada uno desempeñando un papel separado, para detectar simultáneamente fotones, electrones, muones, piones, etc.
Fuente: ATLAS
Más de 5 900 físicos, ingenieros, técnicos, estudiantes y administradores han trabajado en la construcción y operación de ATLAS, representando a 180 instituciones científicas de más de 40 países.
CERN – Tecnologías nacidas
Todos estos kilómetros de aceleradores de partículas han generado mucha tecnología útil para la humanidad a lo largo del tiempo.
Inventando Internet
Quizá la tecnología más impactante que haya surgido del CERN sea Internet; en serio.
CERN creó el protocolo TCP/IP para su propia red interna, y el concepto de la World Wide Web fue inventado en el CERN por Tim Berners‑Lee, quien creó el primer sitio web del mundo (sigua el enlace para ver cómo se veía).
Inicialmente se pensó como una forma de que los investigadores intercambiaran datos e ideas más fácilmente.
Fuente: CERN
En 1993, el CERN ofreció el software de la World Wide Web al mundo como propiedad intelectual de dominio público. También fue pionero en la computación en malla, el proceso de realizar cálculos a través de múltiples computadoras conectadas por la web.
Así que, paradójicamente, una de las mayores contribuciones del CERN, una organización de investigación de aceleradores de partículas, fue impulsar el intercambio libre de todo el conocimiento, datos y software, en lugar de un experimento de física cuántica.
Aplicaciones médicas
Una aplicación de la investigación del CERN es una comprensión más profunda de los aceleradores de partículas. Los aceleradores de menor tamaño se utilizan ahora rutinariamente en hospitales para radioterapia en tratamientos contra el cáncer. La investigación continua los ha hecho cada vez más eficientes, más pequeños y más baratos con el tiempo.
Una contribución adicional a la terapia contra el cáncer está en el campo de la medicina nuclear, o el uso de isótopos raros para destruir células cancerosas.
Algunos de estos radioisótopos se producen de forma única en el CERN.
La imaginería médica es otro campo donde la física de partículas es crucial, desde rayos X hasta resonancia magnética, tomografías PET y tomografía computarizada (TC).
Varios avances en radioterapia con hadrones, así como en imaginería médica, provienen directamente de los sensores desarrollados para el detector de partículas ATLAS.
Durante la pandemia de Covid, el CERN desarrolló una herramienta de código abierto (COVID Airborne Risk Assessment tool – CARA) para modelar la concentración de virus en espacios cerrados con parámetros variables, como el tamaño de la habitación, el tiempo pasado en ella, el uso de mascarillas, el número de personas y la ventilación.
Energía y tecnología verde
CERN ha colaborado con Airbus aportando su experiencia a cables superconductores para aviones potencialmente más ligeros, o incluso aviones eléctricos.
La experiencia de la institución en pruebas de materiales a temperaturas extremadamente bajas también es útil para evaluar el potencial del hidrógeno en el transporte aéreo.
CERN también colabora estrechamente con ITER, el proyecto de fusión nuclear más grande del mundo, que podría ofrecer un suministro ilimitado de energía limpia si tiene éxito. Dado que la fusión nuclear depende principalmente de imanes ultra potentes y materiales superconductores, la superposición con la experiencia del CERN es evidente.
Procesamiento de datos
Cuando se detectan partículas, el flujo de datos generado en microsegundos es enorme. Más problemático, esos 40 terabytes por segundo no pueden almacenarse para su procesamiento posterior.
Esto ha llevado a los científicos del CERN a convertirse en expertos en diseñar algoritmos capaces de decidir, sobre la marcha, qué datos son los de mayor interés.
CERN colabora con empresas como CEVA (sensores) o ABB Motors para usar dichos algoritmos y optimizar el consumo energético de las instalaciones y equipos del CERN en desarrollo.
Esto también es utilizado por la empresa de seguridad automotriz Zenseact para desarrollar sistemas de conducción autónoma de baja latencia.
Los mismos principios se están desplegando en drones y sistemas robóticos en general, notablemente con la empresa Terabee.
Aeroespacial
CERN tiene una larga experiencia en el manejo de radiaciones intensas y a veces exóticas producidas por su equipamiento y experimentos.
Esto puede aprovecharse en aplicaciones prácticas para el blindaje contra radiación de satélites y experimentos tripulados en el espacio, a menudo en colaboración con la Agencia Espacial Europea (ESA).
Por ejemplo, el CERN posee la única instalación en la Tierra capaz de replicar el duro entorno radiante de Júpiter.
Otras aplicaciones
Los requisitos del CERN de que todos sus detectores y sistemas estén perfectamente sincronizados hasta la nanosegundo lo han convertido también en un experto en este campo.
Los estándares de código abierto “sincronización de tiempo nacida en CERN” pueden usarse en telecomunicaciones, mercados financieros y redes cuánticas. Por ejemplo, el proveedor de negociación Deutsche Börse los utiliza en su infraestructura de sistemas de negociación.
Educación
CERN también actúa como recurso educativo para ciencias avanzadas y física.
Esto incluye proporcionar de forma gratuita un modelo imprimible en 3D de su equipamiento, caricaturas explicativas y cómics, y materiales de aula para docentes.
En paralelo, ofrece de forma gratuita su propio marco de biblioteca digital de alto rendimiento y código abierto, hoy usado por bibliotecas, universidades e instituciones globales.
La dedicación del CERN a compartir conocimiento también se manifiesta en su spin‑off Orvium, una infraestructura de publicación para publicaciones científicas de código abierto y descentralizadas.
Finalmente, el CERN ofrece visitas educativas a sus instalaciones, un museo local y exposiciones de arte.
Futuras infraestructuras y logros del CERN
High Luminosity LHC (HL–LHC)
Mientras los investigadores y técnicos del CERN trabajan arduamente para obtener el máximo provecho de las instalaciones actuales, al mismo tiempo están mirando los próximos pasos.
El primero será el “High Luminosity LHC”, o HL–LHC, una actualización que pretende aumentar la luminosidad del LHC en 10 veces. Por ejemplo, el High‑Luminosity LHC producirá al menos 15 millones de bosones de Higgs al año, comparado con alrededor de tres millones del LHC en 2017.
Fuente: CERN
La actualización incluirá mejoras en imanes, enlaces superconductores, protección reforzada y mejores aceleradores.
Se espera que el HL–LHC esté operativo a mediados de la década de 2030, ya que los trabajos de ingeniería civil comenzaron en abril de 2018, y recibió sus primeros imanes en diciembre de 2024.
Future Circular Collider (FCC)
Después del LHC, se espera que el siguiente paso sea un diseño gigantesco de 90 km, llamado Future Circular Collider (FCC). Se construirá a una profundidad media de 200 metros (656 pies).
Los primeros experimentos se llevarán a cabo durante 15 años, comenzando a mediados de la década de 2040 con el FCC‑ee, un colisionador de electrones‑positrones. Se espera que el consumo energético del FCC‑ee varíe entre 1 y 1,8 TWh/año.
Una segunda máquina, el FCC‑hh, un colisionador de protones‑protones, se instalaría en el mismo túnel y comenzaría en la década de 2070, operando durante más de 25 años.
Se estima que todo el proyecto costará alrededor de CHF 15 mil millones, distribuidos en 15 años. La finalización del estudio de viabilidad está prevista para 2025, con una decisión final del comité del CERN para 2027‑2028 y la construcción iniciándose en la década de 2030.
El FCC podría investigar partículas predichas por teorías que van más allá del modelo estándar de la física de partículas, lo que requeriría detectores más sensibles o una aceleración más potente.
Este entendimiento más profundo de la física probablemente será crucial para mejorar el rendimiento de las computadoras y abrir nuevas posibilidades para la ciencia de materiales. Y al hacerlo, permitirá a la humanidad convertirse en una civilización verdaderamente avanzada capaz de navegar entre estrellas, crear una inteligencia artificial verdadera o disfrutar de energía ilimitada y abundante.
Empresa relacionada con el CERN
CEVA
(CEVA )
CEVA es una empresa de sensores y socia del CERN para usar el algoritmo de la institución y mejorar la eficiencia y consumo energético de sus sensores. Las soluciones e IP de CEVA (200 patentes) están integradas en 18 mil millones de dispositivos.
Las soluciones de la empresa son usadas por muchas de las principales marcas electrónicas de todo el mundo.
Fuente: CEVA
La principal aplicación de la colaboración entre CEVA & CERN es “Edge AI”, o aplicaciones de inteligencia artificial desplegadas en dispositivos alejados de los centros de datos (la nube) y más cerca de los consumidores (el edge).
No es sorprendente que los algoritmos de física de partículas se reutilicen en aplicaciones de IA, ya que, por ejemplo, las redes neuronales se usaron para encontrar la partícula del bosón de Higgs. Analizar los datos de los aceleradores de partículas debe hacerse in situ en lugar de en la nube, debido al enorme volumen de datos producidos rápidamente.
CEVA ayudó al CERN a crear nuevos algoritmos de compresión que pueden usarse en futuros experimentos y podrá integrar esta nueva tecnología en sus productos.
“Gracias a nuestra colaboración con el CERN pudimos desarrollar un enfoque innovador que permite que las redes funcionen hasta 15 veces más rápido en comparación con los modelos de referencia de 16 bits.
Mejora la velocidad de la red y reduce el consumo energético hasta en un 90 % manteniendo una precisión comparable.”
Esto es solo uno de los avances tecnológicos de CEVA, con la empresa activa en conectividad 5G, sensores (visión, audio, movimiento) y algoritmos de redes neuronales.
Fuente: CEVA
CEVA se beneficia enormemente de la tendencia combinada de conectividad 5G (incluida la 5G satelital) e IoT (Internet de las Cosas) con soluciones de IA integradas, tanto para soluciones industriales como domésticas. También es líder en soluciones Wi‑Fi 6 y tiene una posición de liderazgo en Wi‑Fi 7.
Fuente: Ruije
Como empresa de software e IP, CEVA es bien conocida y a menudo pasa desapercibida para los inversores interesados en los sectores de IoT y 5G.
Puede ser una empresa interesante en la vanguardia del progreso tecnológico en procesamiento de datos y Edge AI, como ilustra la selección del CERN para ayudar con algunos de los análisis de datos más complejos jamás realizados por la humanidad.
