CERN: Hiukkasten ymmärtäminen modernin maailman rakentamiseksi

CERN modernin tieteen juurena

Euroopan ydinfysiikan tutkimusjärjestö, CERN, on ollut yksi maailman tärkeimmistä laitoksista alkeishiukkasten ja perustavanlaatuisen fysiikan tutkimuksessa.

Tämä on tärkeä työ, sillä kvanttifysiikka ja suhteellisuusteoria ovat olleet perusluontoja monien, ellei suurimpien, nykypäivän teknologisten innovaatioiden takana, mukaan lukien tietokoneet, matkapuhelimet, laserit, televiestintä, satelliitit, MRI, aurinkopaneelit, kehittyneet mikroskoopit, ydinenergia jne.

Tämä johtuu siitä, että kaikki nämä teknologiat vaativat syvällistä ymmärrystä atomien, elektronien ja muiden hiukkasten käyttäytymisestä pienimmällä mittakaavalla. Ja ne eivät ole intuitiivisia, ne ylittävät yksinkertaisen mallin, jossa elektronit kiertävät atomiytimen ympärillä. Esimerkiksi yksinkertaisin mahdollinen atomi, vety, vaatii monimutkaisen yhtälön kuvaamaan, miten sen elektronit todella käyttäytyvät.

Lähde: Department of Energy

CERN on myös todellakin globaali ja kansainvälinen tieteellinen hanke, josta on syntynyt monia muita löytöjä, mukaan lukien itse Internet.

Lopuksi CERNin tilojen rakentaminen, ylläpito ja päivittäminen on ollut merkittävä tekijä tutkimuksen ja tekniikan edistämisessä monilla kehittyneillä tieteenaloilla, kuten supranjohtimissa, antureissa sekä erittäin voimakkaissa laseissa ja magneeteissa.

Ambitiivinen tiede alusta alkaen

CERN perustettiin vuonna 1954 kahdentoista Euroopan maan toimesta, ja sen ranskalainen lyhenne “Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire” antoi sille nimen.

Lähde: Wikipedia

Ei olisi liioittelua sanoa, että suuri osa nykypäivän hiukkasfysiikasta syntyi CERNissä, erityisesti:

• Heikkojen bosonien löytäminen, jotka kantavat yhtä neljästä perusvoimasta, palkittiin vuoden 1984 fysiikan Nobel-palkinnolla.
• Ensimmäinen antihydrogeniatomin luominen.
• Uuden aineen tilan, kvarkki-gluoniplasman, löytäminen.
• Vuoden 1992 fysiikan Nobel-palkinto CERNin tutkijalle hiukkasdetektorien keksimisestä ja kehittämisestä.
• Vuoden 2013 fysiikan Nobel-palkinto CERNin tutkijoille Higgsin bosonien kuvaamisesta ja havaitsemisesta (vastuussa hiukkasten massan antamisesta).

Lähde: CERN

Tänään CERNiin kuuluu 25 täysjäsenmaata ja 10 assosiaattijäsentä, mikä on ensimmäinen askel mahdolliseen täysjäsenyyteen. Näihin tulee lisäksi kolme tarkkailijamaa (Japani, Venäjä, USA) ja yhteistyö tai tieteellinen yhteys lähes jokaisen maan kanssa maapallolla.

CERN työllistää suoraan 3 500 henkilöä, suurin ryhmä koostuu tutkijoista ja insinööreistä, jonka jälkeen tulevat teknikot, ja hieman alle sata tutkimusfysiikkaa johtavaa tutkijaa.

Lähde: CERN

CERNin infrastruktuurit

Mikään CERNin saavutuksista ei olisi ollut mahdollista ilman maailmanluokan insinööritaitoa, joka on rakennettu sen hiukkaskiihdyttimien ja detektoreiden ympärille.

Hiukkaskiihdyttimet toimivat siirtämällä hiukkasia vahvassa tyhjiössä, ilman ilmaa tai pölyä. Voimakkaat sähkömagneetit ja sähköiset kentät kiihdyttävät hiukkasia ja pitävät ne kiinni kiihdyttimessä. Kiihdytetty hiukkanen, joskus 99,9 % valonnopeudesta (299 792 458 m/s / 186 000 mph), osuu joko toiseen hiukkasvirtaan tai kiinteään kohteeseen.

Nämä äärimmäisen suuret nopeudet ja energiat törmäyksissä antavat tutkijoille mahdollisuuden ymmärtää paremmin näiden hiukkasten perustavaa luonnetta.

Lähde: Department of Energy

Tänä päivänä CERNin päähiukkaskiihdytin on LHC (Large Hadron Collider), joka sijaitsee Genevessä, Sveitsissä. LHC on maanalainen tunneli, jonka syvyys on jopa 175 metriä (575 jalkaa) ja jonka ympärysmitta on 27 kilometriä (17 mailia).

Tulevaisuudessa se saattaa jäädä pieneksi vielä suuremman, 90–100 km:n kiihdyttimen alla Geneven järven ja koko kaupungin ympärillä (lisätietoa alla).

Lähde: Swisstopo

Tänä päivänä “pää”‑LHC:n lisäksi CERN käyttää 11 muuta hiukkaskiihdytintä erityistutkimuksiin raskaampien hiukkasten, protonien, plasman, epävakaiden ytimien ym. osalta. Nämä kiihdyttimet täydentävät usein toisiaan, ja monet “syöttävät” vaadittuja hiukkasia toisiin monimutkaisessa kytkennässä.

Lähde: CERN

Laitoksella on myös 11 hylättyä hiukkaskiihdytintä ja törmäyslaitosta, jotka on rakennettu 1950‑luvun alusta lähtien.

CERNin teknologia

LHC

LHC:n syvä maanalainen sijainti johtui sekä tieteellisistä että taloudellisista syistä. On halvempaa kaivaa tunneli kuin hankkia 27 km:n halkaisijaltaan oleva pinta-alue, erityisesti Geneven kalliilla alueella. Kivikerrokset myös suojaavat laitosta kosmiselta ja pinnalliselta säteilyltä.

Lähde: CERN

LHC on vahvin koskaan rakennettu hiukkaskiihdytin. Se kuluttaa keskimäärin 600 GWh vuodessa, noin puolet CERNin kokonaisenergiankulutuksesta, joka on 1,3 TWh. Vertailun vuoksi koko Ranska kuluttaa 500 TWh, EU 3400 TWh ja maailma 20 000 TWh.

LHC tuottaa kaksi hiukkasvirtaa, jotka kulkevat lähes valonnopeudella, ja saa ne törmäämään toisiinsa. Ne ohjataan ja pidetään paikallaan 9593 suprasähkömagneetin avulla, jotka jäähdytetään nestemäisellä heliumilla –271,3 °C (‑456,34 °F) lämpötilassa.

Suurin osa toiminnan energiankulutuksesta johtuu näistä supramagneeteista, sekä niiden toiminnasta että massiivisen nestemäisen heliumimäärän tuottamisesta.

LHC:n tavoitteet

LHC suoritti ensimmäisen törmäyksensä vuonna 2008, ja sen odotetaan toimivan 2040‑luvuun asti. Ensimmäisen kauden, jonka aikana löydettiin Higgsin bosoni, jälkeen LHC on käynnissä massiivinen päivitys‑ ja ylläpitotyö toisen kauden valmisteluun, jolloin LHC:n teho nostetaan 13 TeV (teraelektronivolttia) -törmäyksiin.

Higgsin bosonin löydön jälkeen LHC:n odotetaan auttavan vastaamaan perustavanlaatuisiin kysymyksiin universumista, mukaan lukien niin sanotun pimeän energian ja pimeän aineen rooli ja luonne.

Äärimmäiset energiatasot antavat myös näkymiä universumin varhaiseen vaiheeseen, “kvarkki‑gluoniplasman” tilassa.

ATLAS

LHS:n (LHC:n) keskeinen lisäosa on ATLAS‑hiukkasdetektori. Se on suurin koskaan rakennettu hiukkasdetektori, 46 metriä (150 jalkaa) pitkä ja 25 metriä (82 jalkaa) halkaisijaltaan.

Detektorit sisältävät yli 100 miljoonaa herkkiä elektronisia kanavia tallentaakseen törmäyksissä syntyvät hiukkaset.

Se koostuu monista alidetektoreista, joista jokainen täyttää oman roolinsa, jotta voidaan samanaikaisesti havaita fotoneja, elektroneja, muoneja, pioni jne.

Lähde: ATLAS

5900 + fyysikkoa, insinööriä, teknikkoa, opiskelijaa ja hallintohenkilöä on työskennellyt ATLAS:n rakentamisessa ja toiminnassa, edustaen 180 tieteellistä instituutiota yli 40 maasta.

CERN – syntyneet teknologiat

Kaikki nämä kilometrit hiukkaskiihdyttimiä ovat ajan myötä tuottaneet ihmisille paljon hyödyllistä teknologiaa.

Internetin keksiminen

Ehkä merkittävin CERNistä syntynyt teknologia on Internet; tosiaan.

CERN loi TCP/IP‑protokollan omaan sisäverkkoonsa, ja World Wide Web -konsepti keksittiin CERNissä Tim Berners-Leen toimesta, joka loi ensimmäisen verkkosivun (seuraa linkkiä nähdäksesi miltä se näytti).

Sitä alun perin pidettiin tavallisena tavaramerkkinä, jonka avulla tutkijat voisivat vaihtaa dataa ja ideoita helpommin.

Lähde: CERN

Vuonna 1993 CERN tarjosi World Wide Web -ohjelmiston maailmalle julkisena omaisuutena. Se oli myös edelläkävijä verkko‑laskennassa, jossa laskenta suoritetaan useiden verkkoon liitettyjen tietokoneiden avulla.

Joten ehkä paradoksaalisesti yksi CERNin suurimmista panoksista – hiukkaskiihdytyslaitoksen – oli edistää tiedon, datan ja ohjelmistojen vapaata vaihtoa sen sijaan, että se olisi vain kvanttifysiikan kokeilu.

Lääketieteelliset sovellukset

Yksi CERNin tutkimuksen sovelluksista on syvempi ymmärrys hiukkaskiihdyttimistä. Pienemmät kiihdyttimet ovat nykyään säännöllisesti käytössä sairaaloissa sädehoidossa syöpähoidoissa. Jatkuva tutkimus on tehnyt niistä yhä tehokkaampia, pienempiä ja edullisempia ajan myötä.

Lisäpanos syöpähoitoon on ydinlääketieteessä, jossa harvinaisia isotooppeja käytetään syöpäsolujen tuhoamiseen.

Vuodesta 2017 lähtien CERN-MEDICIS‑infrastruktuuri on tuottanut innovatiivisia radioisotooppeja erityisesti lääketieteellisiin sovelluksiin ja toimittanut ne lääkäreille ja tutkijoille, jotka voivat arvioida niiden soveltuvuutta edistyneisiin hoitoihin ja kuvantamiseen.

Jotkut näistä radioisotoopeista tuotetaan ainutlaatuisesti CERNissä.

Lääketieteellinen kuvantaminen on toinen ala, jossa hiukkasfysiikka on keskeinen, aina röntgenistä MRI:hen, PET‑kuvaukseen ja tietokonetomografiaan (CT).

Useita parannuksia hadronisessa sädehoidossa sekä lääketieteellisessä kuvantamisessa on suoraan peräisin ATLAS‑detektorin antureista.

Covid‑pandemian aikana CERN kehitti avoimen lähdekoodin työkalun (COVID Airborne Risk Assessment tool – CARA) mallintamaan viruksen pitoisuutta suljetuissa tiloissa erilaisilla parametreilla, kuten huoneen koko, oleskeluaika, maskin käyttö, henkilöiden määrä ja ilmanvaihto.

Energia & vihreä teknologia

CERN on tehnyt yhteistyötä Airbusin kanssa tuoden asiantuntemuksensa supranjohtaviin kaapeleihin, jotka voisivat mahdollistaa kevyemmät lentokoneet tai jopa sähköiset lentokoneet.

Laitoksen kokemus materiaalien testaamisesta äärimmäisen alhaisissa lämpötiloissa on myös hyödyllistä vetyteknologian testaamisessa lentoliikenteessä.

CERN tekee myös tiivistä yhteistyötä ITER‑projektin kanssa, maailman suurimman ydinfuusioprojektin kanssa, joka voisi tarjota rajattoman puhtaan energian lähteen, jos se onnistuu. Koska ydinfuusio perustuu pääosin erittäin voimakkaisiin magneetteihin ja supranjohtaviin materiaaleihin, yhteys CERNin asiantuntemukseen on ilmeinen.

Datan käsittely

Kun hiukkasia havaitaan, mikrosekunnissa syntyvä datavirta on valtava. Vielä ongelmallisempaa on, että näitä 40 teratavua sekunnissa ei voida tallentaa myöhempää käsittelyä varten.

Tämä on saanut CERNin tutkijat erikoistumaan algoritmien suunnitteluun, jotka pystyvät päätöksentelemään, mitkä data‑kohteet ovat kiinnostavimpia lennossa.

CERN tekee yhteistyötä yritysten kuten CEVA (anturit) tai ABB Motors kanssa näiden algoritmien hyödyntämiseksi CERNin tilojen ja laitteiden energiatehokkuuden optimoimiseksi.

Tätä hyödynnetään myös autovalmistajan Zenseact toimesta kehitettäessä matalan viiveen autonomisia ajoneistojärjestelmiä.

Samat periaatteet otetaan käyttöön myös droneissa ja robotiikkajärjestelmissä, erityisesti yhteistyössä yrityksen Terabee kanssa.

Avaruustekniikka

CERN:lla on pitkä kokemus intensiivisten ja joskus eksoottisten säteilymuotojen käsittelystä, joita sen laitteet ja kokeet tuottavat.

Tätä voidaan hyödyntää käytännön sovelluksissa satelliittien ja miehitettyjen avaruusprojektien säteilysuojauksessa, usein yhteistyössä Euroopan avaruusjärjestön (ESA) kanssa.

Esimerkiksi CERN:lla on ainoa maapallon asennus, joka pystyy jäljittelemään Jupiterin ankaraa säteilyympäristöä.

Muut sovellukset

CERNin vaatimus, että kaikki sen hiukkasdetektorit ja järjestelmät toimivat täydellisessä synkronoinnissa nanosekunneista, on tehnyt siitä myös asiantuntijan tällä alalla.

Avoimen lähdekoodin “CERN‑syntynyt aika‑synkronointi” -standardia voidaan käyttää telekommunikaatiossa, rahoitusmarkkinoilla ja kvantti‑verkoissa. Esimerkiksi kaupankäyntipalvelu Deutsche Börse käyttää sitä kaupankäyntijärjestelmän infrastruktuurissaan.

Koulutus

CERN toimii myös koulutuksellisena resurssina kehittyville tieteille ja fysiikalle.

Tämä sisältää ilmaiseksi 3D‑tulostettavan mallin sen laitteistosta, selittäviä sarjakuvia ja sarjakuva-albumeja sekä opettajille suunnattuja luokkahuonet materiaaleja.

Samanaikaisesti se tarjoaa ilmaiseksi oman joustavan, korkean suorituskyvyn, avoimen lähdekoodin digitaalisen kirjaston alustan, jota käyttävät kirjastot, yliopistot ja globaalit instituutiot.

CERN ylläpitää maailman suurinta yleiskäyttöistä tutkimusarkistoa, joka perustuu samaan digitaalisen kirjaston alusta. Tämä helppokäyttöinen arkisto mahdollistaa tutkijoiden eri alojen säilyttää ja jakaa tutkimustuloksensa.

CERNin omistautuminen tiedon jakamiseen näkyy myös sen spin‑off‑yrityksessä Orvium, joka on avoimen lähdekoodin ja hajautetun tieteellisen julkaisun infrastruktuuri.

Lopuksi CERN tarjoaa opastettuja kierroksia laitoksissa, paikallisen museon ja taidenäyttelyitä.

CERNin tulevaisuuden infrastruktuurit ja saavutukset

Korkean kirkkauden LHC (HL–LHC)

Vaikka CERNin tutkijat ja teknikot työskentelevät kovasti saadakseen mahdollisimman paljon nykyisistä asennuksista, he katsovat samalla tuleviin askeleisiin.

Ensimmäinen askel on “High Luminosity LHC”, or HL–LHC, päivitys, jonka tavoitteena on nostaa LHC:n kirkkaus kymmenkertaiseksi. Esimerkiksi High‑Luminosity LHC tuottaa vähintään 15 miljoonaa Higgsin bosonia vuodessa, verrattuna noin kolmeen miljoonaan LHC:n vuonna 2017 tuottamaan.

Lähde: CERN

Päivitykseen sisältyy parannuksia magneeteissa, supranjohtavissa linkeissä, vahvistetussa suojauksessa ja paremmissa kiihdyttimissä.

HL–LHC:n odotetaan olevan toiminnassa keskivaiheessa 2030‑luvuissa, sillä siviilirakentamistyöt alkoivat huhtikuussa 2018, ja sen ensimmäiset magnetit saatiin joulukuussa 2024.

Future Circular Collider (FCC)

LHC:n jälkeen odotetaan seuraavan askeleen olevan valtava 90 km:n suunnitelma, jota kutsutaan the Future Circular Collider (FFC). Se rakennetaan keskimäärin 200 metrin (656 jalan) syvyyteen.

Ensimmäiset kokeet kestävät 15 vuotta, alkaen keskivaiheessa 2040‑luvuissa FCC-ee:n, elektronipositronitörmäyslaitteen, kanssa. FCC-ee:n energiankulutus arvioidaan vaihtelevan 1‑stä 1,8 TWh/vuosi.

Toinen laite, FCC-hh, protoni‑protoni‑törmäyslaitteisto, asennettaisiin samaan tunneliin ja käynnistyisi 2070‑luvuissa ja toimisi yli 25 vuotta.

Koko projekti arvioidaan maksavan noin CHF 15 miljardia, ja se jakautuu 15 vuoteen. Toteutettavuustutkimuksen lopullinen valmistuminen on odotettavissa vuonna 2025, ja CERN‑komitean lopullinen päätös vuonna 2027‑2028, jolloin rakennustyöt alkavat 2030‑luvuissa.

FCC voisi tutkia hiukkasia, jotka ennustetaan teorioissa, jotka ylittävät hiukkasfysiikan vakiomallin, mikä vaatisi joko herkempiä detektoreita tai voimakkaampaa kiihdytystä.

Tämä syvempi fysiikan ymmärrys tulee todennäköisesti olemaan ratkaiseva tietokoneiden suorituskyvyn parantamisessa ja uusien mahdollisuuksien avaamisessa materiaalitieteessä. Ja tekemällä näin mahdollistetaan ihmiskunnan kehittyminen todellisesti kehittyneeksi sivilisaatioksi, joka pystyy navigoimaan tähtiin, luomaan todellisen tekoälyn tai nauttimaan rajattomasta runsasenergia‑lähteestä.

CERNiin liittyvä yritys

CEVA

CEVA on anturiyritys ja CERNin kumppani, joka käyttää instituution algoritmia parantaakseen antureidensa tehokkuutta ja energian kulutusta. CEVA:n ratkaisut ja IP (200 patenttia) on integroituna 18 miljardiin laitteeseen.

Yrityksen ratkaisuja käyttävät monet johtavat elektroniikkabrändit ympäri maailmaa.

Lähde: CEVA

CEVA‑CERN‑yhteistyön pääsovellus on “Edge AI”, eli tekoälysovellukset, jotka on otettu käyttöön laitteissa, jotka sijaitsevat datakeskusten (pilven) ulkopuolella ja lähellä kuluttajia (reunalla).

Ei ole yllättävää, että hiukkasfysiikan algoritmeja hyödynnetään AI‑sovelluksissa, sillä esimerkiksi hermoverkkoja käytettiin Higgs‑bosonin hiukkasen löytämiseen. Hiukkaskiihdytysdatan analysointi on tehtävä paikan päällä eikä pilvessä, koska tuotettu datamäärä on valtava ja tapahtuu erittäin nopeasti.

Ceva auttoi CERNiä luomaan uusia pakkausalgoritmeja, joita voidaan käyttää tulevissa kokeissa ja jotka voidaan integroida sen tuotteisiin.

“Kiitos yhteistyöstämme CERNin kanssa pystyimme kehittämään innovatiivisen lähestymistavan, jonka avulla verkot toimivat jopa 15‑kertaisesti nopeammin verrattuna 16‑bitisiin perusmalleihin.

Se parantaa verkon nopeutta ja vähentää energiankulutusta jopa 90 % säilyttäen samalla verrattavan tarkkuuden.”

Olya Sirkin – Senior Deep Learning Researcher at Ceva

Tämä on vain yksi CEVA:n teknologisesta edistysaskeleesta, ja yritys on aktiivinen langattomassa yhteydessä, antureissa (näkö, ääni, liike) ja hermoverkko‑algoritmeissa.

Lähde: CEVA

CEVA hyötyy suuresti 5G‑yhteyksien (myös satelliitti‑5G) ja IoT:n (Internet of Things) yhdistymisestä upotettuihin AI‑ratkaisuihin, sekä teollisuus‑ että kotiratkaisuihin. Se on myös johtava WiFi 6‑ratkaisujen tarjoaja ja sillä on johtava asema WiFi 7‑markkinoilla.

Lähde: Ruije

Ohjelmisto‑ ja IP‑yrityksenä CEVA on hyvin tunnettu ja sitä usein ohitetaan sijoittajien keskuudessa, jotka ovat kiinnostuneita IoT‑ ja 5G‑sektoreista.

Se voi olla mielenkiintoinen yritys aivan teknologisen kehityksen kärjessä datankäsittelyn ja reunatason AI:n osalta, kuten CERNin valinta osoittaa, joka on valinnut sen auttamaan joitakin ihmiskunnan suorittamista monimutkaisimmista datanalyysistä.