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CERN: Comprendre les particules pour construire le monde moderne
CERN à la racine de la science moderne
L’Organisation européenne pour la recherche nucléaire, ou CERN, est l’un des sites les plus importants au monde pour l’étude des particules subatomiques et de la physique fondamentale.
Ceci est un travail important, car la physique quantique et la relativité ont été les sciences fondamentales derrière la plupart des innovations technologiques modernes, notamment les ordinateurs, les téléphones mobiles, les lasers, les télécommunications, les satellites, l’IRM, les panneaux solaires, les microscopes avancés, l’énergie nucléaire, etc.
Ceci est dû au fait que toutes ces technologies nécessitent une compréhension approfondie du comportement des atomes, des électrons et d’autres particules à l’échelle la plus petite. Et celles-ci sont loin d’être intuitives, allant bien au-delà du modèle simplifié d’électrons orbitant autour du noyau de l’atome. Par exemple, même l’atome le plus simple, l’hydrogène, nécessite une équation complexe pour décrire comment ses électrons se comportent vraiment.
Source: Department of Energy
Le CERN a également été une véritable initiative scientifique internationale et mondiale, à partir de laquelle de nombreuses autres découvertes, y compris Internet lui-même, ont émergé.
Enfin, la construction, l’exploitation et la mise à niveau des installations du CERN ont été un facteur clé pour stimuler la recherche et l’ingénierie dans de nombreux domaines scientifiques avancés, tels que les supraconducteurs, les capteurs et les lasers et aimants ultra-puissants.
Une science ambitieuse dès le départ
Le CERN a été fondé en 1954 par 12 pays européens, avec l’acronyme français “Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire” lui donnant son nom.
Source: Wikipedia
Il ne serait pas exagéré de dire qu’une grande partie de la physique des particules modernes est née au CERN, notamment :
- La découverte des bosons faibles portant l’une des 4 forces fondamentales, qui a valu le prix Nobel de physique de 1984.
- La première création d’atomes d’antihydrogène.
- La découverte d’un nouvel état de la matière, le plasma de quarks et de gluons.
- Le prix Nobel de physique de 1992 à un chercheur du CERN pour son invention et son développement de détecteurs de particules.
- Le prix Nobel de physique de 2013 aux chercheurs du CERN pour la description et l’observation des bosons de Higgs (responsables de la masse des particules).
Source: CERN
Aujourd’hui, le CERN compte 25 pays membres à part entière et 10 membres associés, qui constituent la première étape avant une éventuelle adhésion à part entière. Il faut y ajouter les liens étroits avec 3 pays ayant le statut d’observateur (Japon, Russie, États-Unis) et la collaboration ou le contact scientifique avec presque tous les pays de la Terre.
Le CERN emploie directement 3 500 personnes, le plus grand groupe étant composé de scientifiques et d’ingénieurs, suivis de techniciens, suivant les orientations et les idées d’un peu moins d’une centaine de physiciens de recherche.
Source: CERN
Infrastructures du CERN
Aucun des réalisations du CERN n’aurait été possible sans l’ingénierie de classe mondiale qui a présidé à la construction de son accélérateur de particules et de ses détecteurs.
Les accélérateurs de particules fonctionnent en déplaçant des particules dans un vide fort, exempt de tout air ou poussière. Des électroaimants puissants et des champs électriques accélèrent les particules et les maintiennent confinées dans l’accélérateur. La particule accélérée, parfois à 99,9 % de la vitesse de la lumière (299 792 458 mètres par seconde / 186 000 miles par seconde), heurte soit un autre faisceau de particules, soit une cible fixe.
La vitesse et l’énergie extrêmes dans ces collisions permettent aux scientifiques de mieux comprendre la nature fondamentale de ces particules.
Source: Department of Energy
Aujourd’hui, l’accélérateur de particules principal du CERN est le LHC (Large Hadron Collider), situé à Genève, en Suisse. Le LHC est un tunnel souterrain profond de 175 mètres (575 pieds), formant un cercle de 27 kilomètres (17 miles) de circonférence.
Dans le futur, il pourrait être éclipsé par un accélérateur encore plus grand de 90-100 km passant sous le lac de Genève et autour de la ville (plus d’informations ci-dessous).
Source: Swisstopo
Aujourd’hui, outre le “principal” LHC, le CERN exploite 11 autres accélérateurs de particules pour des besoins de recherche spécifiques sur des particules plus lourdes, des protons, du plasma, l’étude de noyaux instables, etc. Ces accélérateurs de particules se complètent souvent les uns les autres, avec de nombreux “faisceaux” de particules nécessaires alimentant les autres dans un système complexe et imbriqué.
Source: CERN
L’institution compte également pas moins de 11 accélérateurs de particules et collisionneurs déclassés construits depuis les années 1950.
Technologie du CERN
LHC
La localisation souterraine profonde du LHC résulte d’une combinaison de raisons scientifiques et financières. Il est moins coûteux de creuser un tunnel que d’acquérir un cercle de 27 km de diamètre de terrain en surface, surtout dans la région de Genève coûteuse. Les couches de roches protègent également l’installation des radiations cosmiques et de surface.
Source: CERN
Le LHC est l’accélérateur de particules le plus puissant jamais construit. Il consomme en moyenne 600 GWh par an, soit environ la moitié de la consommation totale d’énergie du CERN de 1,3 TWh. Pour mettre cela en perspective, la France entière consomme 500 TWh, l’UE 3400 TWh et le monde 20 000 TWh.
Le LHC crée 2 faisceaux de particules, chacun se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière, qui se heurtent l’un l’autre. Ils sont guidés et confinés par 9 593 électroaimants supraconducteurs refroidis par de l’hélium liquide à -271,3 °C (-456,34 °F).
La majeure partie de la consommation d’énergie de l’exploitation est due aux électroaimants, à la fois pour les faire fonctionner et pour l’énergie nécessaire pour produire cette quantité massive d’hélium liquide.
Objectifs du LHC
Le LHC a réalisé sa première collision en 2008 et devrait fonctionner jusqu’aux années 2040. Après une première série d’essais, notamment la découverte du boson de Higgs, il subit actuellement une mise à niveau et des travaux de maintenance importants pour se préparer à la deuxième série, qui augmentera les niveaux de puissance du LHC à 13 TeV (téra-électronvolts) de collisions.
Après la découverte du boson de Higgs, le LHC devrait aider à répondre à des questions fondamentales sur l’Univers, notamment le rôle et la nature de l’énergie sombre et de la matière sombre.
Les niveaux d’énergie extrêmes atteints devraient également nous donner des aperçus de l’état précoce de l’Univers, dans un état de “plasma de quarks et de gluons”.
ATLAS
Un complément clé au LHS est le détecteur de particules ATLAS. Il s’agit du plus grand détecteur de particules jamais construit, avec 46 mètres (150 pieds) de long et 25 mètres (82 pieds) de diamètre.
Les détecteurs contiennent plus de 100 millions de canaux électroniques sensibles pour enregistrer les particules produites par les collisions.
Il contient de nombreux sous-détecteurs, chacun jouant un rôle distinct, pour détecter en même temps des photons, des électrons, des muons, des pions, etc.
Source: ATLAS
5 900 physiciens, ingénieurs, techniciens, étudiants et administrateurs ont travaillé à la construction et à l’exploitation d’ATLAS, représentant 180 institutions scientifiques de 40 pays et plus.
CERN – Technologies nées
Tous ces kilomètres d’accélérateurs de particules ont donné lieu à de nombreuses technologies utiles à l’humanité au fil du temps.
L’invention d’Internet
La technologie la plus impactante à être sortie du CERN a peut-être été Internet ; vraiment.
Le CERN a créé le protocole TCP/IP pour son propre réseau interne, et le concept du Web a été inventé au CERN par Tim Berners-Lee, qui a créé le premier site Web (suivez le lien pour voir à quoi il ressemblait).
Il était initialement prévu comme un moyen pour les chercheurs d’échanger des données et des idées plus facilement.
Source: CERN
En 1993, le CERN a offert le logiciel du Web mondial au monde comme propriété intellectuelle du domaine public. Il a également été un pionnier dans l’informatique en grille, le processus d’exécution d’un calcul à travers plusieurs ordinateurs connectés par le Web.
Ainsi, peut-être de manière paradoxale, l’une des plus grandes contributions du CERN, une organisation de recherche sur les accélérateurs de particules, a été de stimuler l’échange libre de toutes les connaissances, données et logiciels, plutôt qu’une expérience de physique quantique.
Applications médicales
Une application de la recherche du CERN est une meilleure compréhension des accélérateurs de particules. Des accélérateurs de plus petite taille sont maintenant couramment utilisés dans les hôpitaux pour la radiothérapie dans les traitements contre le cancer. La recherche continue a rendu ceux-ci de plus en plus efficaces, plus petits et moins chers avec le temps.
Une autre contribution au traitement du cancer est dans le domaine de la médecine nucléaire, ou l’utilisation d’isotopes rares pour tuer les cellules cancéreuses.
Certains de ces radio-isotopes ne sont produits qu’à CERN.
L’imagerie médicale est un autre domaine où la physique des particules est cruciale, des rayons X à l’IRM, aux tomodensitometries et à la tomographie par émission de positons (PET).
Plusieurs améliorations de la radiothérapie hadronique, ainsi que de l’imagerie médicale sont directement issues des capteurs développés pour le détecteur de particules ATLAS.
Pendant la pandémie de Covid, le CERN a développé un outil open source (COVID Airborne Risk Assessment tool – CARA) pour modéliser la concentration du virus dans des espaces fermés avec des paramètres variables, tels que la taille de la pièce, le temps passé dans la pièce, le port de masque, le nombre de personnes et la ventilation.
Énergie et technologie verte
Le CERN a collaboré avec Airbus en apportant son expertise aux câbles supraconducteurs pour des avions potentiellement plus légers, ou même des avions électriques.
L’expérience de l’institution dans les tests de matériaux à des températures extrêmement basses est également utile pour tester le potentiel de l’hydrogène dans le transport aérien.
Le CERN collabore également étroitement avec ITER, le plus grand projet de fusion nucléaire au monde, qui pourrait offrir une source inépuisable d’énergie propre si elle réussit. Compte tenu du fait que la fusion nucléaire repose principalement sur des aimants ultra-puissants et des matériaux supraconducteurs, le chevauchement avec l’expertise du CERN est évident.
Traitement de données
Lorsque des particules sont détectées, le flux de données généré en microsecondes est énorme. Plus problématique, ces 40 téraoctets par seconde ne peuvent pas être stockés pour un traitement ultérieur.
Cela a conduit les scientifiques du CERN à devenir des experts dans la conception d’algorithmes capables de décider lesquelles des données sont les plus intéressantes sur le champ.
Le CERN collabore avec des entreprises comme CEVA (capteurs) ou ABB Motors pour utiliser de tels algorithmes pour optimiser la consommation d’énergie des installations et des équipements du CERN en développement.
Ceci est également utilisé par la société de sécurité automobile Zenseact pour développer des systèmes de conduite autonome à faible latence.
Les mêmes principes sont déployés sur des drones et des systèmes de robotique en général, notamment avec la société Terabee.
Aérospatiale
Le CERN a une longue expérience de la gestion de formes intenses et parfois exotiques de rayonnement produites par ses équipements et expériences.
Cela peut être exploité dans des applications pratiques pour le blindage contre les radiations des satellites et des expériences spatiales habitées, souvent en collaboration avec l’Agence spatiale européenne (ESA).
Par exemple, le CERN dispose de l’unique installation sur Terre capable de reproduire l’environnement radiatif hostile de Jupiter.
Autres applications
Les exigences du CERN pour avoir tous ses détecteurs de particules et systèmes en parfaite synchronisation jusqu’à la nanoseconde l’ont rendu expert dans ce domaine.
Les normes de synchronisation de l’heure “nées au CERN” en open source peuvent être utilisées dans les télécommunications, les marchés financiers et les réseaux quantiques. Par exemple, le fournisseur de trading Deutsche Börse utilise cela dans son infrastructure de système de trading.
Éducation
Le CERN agit également comme une ressource éducative pour les sciences et la physique avancées.
Ceci comprend la fourniture gratuite d’un modèle imprimable en 3D de son équipement, de bandes dessinées explicatives et de livres de bande dessinée, ainsi que de matériel pédagogique pour les enseignants.
Parallèlement, il fournit gratuitement son propre cadre de bibliothèque numérique flexible, de haute performance et open source, utilisé aujourd’hui par des bibliothèques, des universités et des institutions mondiales.
La détermination du CERN à partager les connaissances se manifeste également dans son spin-off Orvium, une infrastructure de publication pour les publications scientifiques open source et décentralisées.
Enfin, le CERN propose des visites éducatives de ses installations, un musée local et des expositions d’art.
Infrastructures et réalisations futures du CERN
Haute luminosité LHC (HL-LHC)
Alors que les chercheurs et les techniciens du CERN travaillent dur pour obtenir le maximum possible des installations actuelles, ils regardent en même temps vers les prochaines étapes.
La première sera le “High Luminosity LHC”, ou HL-LHC, une mise à niveau visant à augmenter la luminosité du LHC de 10 fois. Par exemple, le High-Luminosity LHC produira au moins 15 millions de bosons de Higgs par an, contre environ trois millions pour le LHC en 2017.
Source: CERN
La mise à niveau inclura des améliorations des aimants, des liaisons supraconductrices, une protection renforcée et de meilleurs accélérateurs.
Le HL-LHC devrait être opérationnel dans le milieu des années 2030, car les travaux de génie civil ont commencé en avril 2018, et a reçu ses premiers aimants en décembre 2024.
Collisionneur circulaire futur (FCC)
Après le LHC, un design géant de 90 km est attendu comme prochaine étape des accélérateurs de particules, appelé Collisionneur circulaire futur (FCC). Il sera construit à une profondeur moyenne de 200 mètres (656 pieds).
Les premières expériences dureront 15 ans, à partir du milieu des années 2040 avec le FCC-ee, un collisionneur électron-positon. La consommation d’énergie du FCC-ee devrait varier entre 1 et 1,8 TWh par an.
Une deuxième machine, le FCC-hh, un collisionneur proton-proton, serait installée dans le même tunnel et démarrerait dans les années 2070 et fonctionnerait pendant plus de 25 ans.
Le projet dans son ensemble devrait coûter environ 15 milliards de CHF, étalés sur 15 ans. La fin de l’étude de faisabilité est prévue pour 2025, avec une décision finale du comité du CERN pour 2027-2028 et la construction devrait commencer dans les années 2030.
Le FCC pourrait étudier des particules prédites par des théories allant au-delà du modèle standard de la physique des particules, ce qui nécessiterait soit des détecteurs plus sensibles, soit une accélération plus puissante.
Cette compréhension plus approfondie de la physique sera probablement cruciale pour améliorer les performances des ordinateurs et ouvrir de nouvelles possibilités pour les sciences des matériaux. Et en le faisant, permettre à l’humanité de devenir une civilisation vraiment avancée capable de naviguer dans les étoiles, de créer une véritable intelligence artificielle ou de profiter d’une énergie abondante et illimitée.
Société liée au CERN
CEVA
(CEVA )
CEVA est une société de capteurs et partenaire du CERN pour utiliser l’algorithme de l’institution pour améliorer l’efficacité et la consommation d’énergie de ses capteurs. Les solutions et les brevets de CEVA (200 brevets) sont intégrés dans 18 milliards d’appareils.
Les solutions de la société sont utilisées par de nombreuses marques électroniques de premier plan dans le monde entier.
Source: CEVA
La principale application de la collaboration entre CEVA et le CERN est l’« Edge AI », ou les applications d’intelligence artificielle déployées sur des appareils éloignés des centres de données (le cloud) et plus proches des consommateurs (le bord).
Il n’est peut-être pas surprenant de voir des algorithmes de physique des particules réutilisés dans les applications d’IA, dans la mesure où les réseaux de neurones ont été utilisés, par exemple, pour trouver la particule de Higgs. L’analyse des données de l’accélérateur de particules doit être effectuée sur place et non dans le cloud, en raison du volume énorme de données produites très rapidement.
Ceva a aidé le CERN à créer de nouveaux algorithmes de compression qui peuvent être utilisés dans les expériences futures et pourra intégrer cette nouvelle technologie dans ses produits.
« Grâce à notre collaboration avec le CERN, nous avons pu développer une approche innovante qui permet aux réseaux de fonctionner jusqu’à 15 fois plus vite que les modèles de référence 16 bits.
Cela améliore la vitesse du réseau et réduit la consommation d’énergie de jusqu’à 90 % tout en maintenant une précision comparable. ”
Olya Sirkin – Chercheuse en apprentissage automatique chez Ceva
Ceci n’est qu’une des avancées technologiques de CEVA, avec la société active dans la connectivité sans fil, les capteurs (vision, audio, mouvement) et les algorithmes de réseaux de neurones.
Source: CEVA
CEVA bénéficie grandement de la tendance combinée de la connectivité 5G (y compris le satellite 5G) et de l’Internet des objets (IoT) avec des solutions d’IA intégrées, à la fois pour les solutions industrielles et domestiques. Il est également un leader dans les solutions WiFi 6 et a une position de leader dans les solutions WiFi 7.
Source: Ruije
En tant que société de logiciels et de propriété intellectuelle, CEVA est bien connue et est souvent négligée par les investisseurs intéressés par les secteurs de l’IoT et du 5G.
Il peut s’agir d’une société intéressante à la pointe du progrès technologique dans le traitement de données et l’IA de bord, comme le montre la sélection de CEVA par le CERN pour l’aider à analyser certaines des données les plus complexes jamais effectuées par l’humanité.
