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CERN: Comprendre les Particules pour Construire le Monde Moderne
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CERN comme le Fondement de la Science Moderne
L’Organisation européenne pour la recherche nucléaire, ou CERN, a été l’une des installations les plus importantes au monde pour l’étude des particules subatomiques et de la physique fondamentale.
C’est un travail important, car la physique quantique et la relativité sont les sciences fondamentales derrière de nombreuses, voire la plupart, des innovations technologiques du monde moderne, y compris ordinateurs, téléphones portables, lasers, télécommunications, satellites, IRM, panneaux solaires, microscopes avancés, énergie nucléaire, etc.
Cela s’explique par le 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 ces comportements ne sont pas intuitifs, allant bien au-delà du modèle simplifié des électrons orbitant le noyau de l’atome. Par exemple, même l’atome le plus simple, l’hydrogène, requiert une équation complexe pour décrire le vrai comportement de ses électrons.
Source: Department of Energy
Le CERN a également été une initiative scientifique véritablement globale et internationale dont de nombreuses autres découvertes, y compris Internet lui-même, sont issues.
Enfin, la construction, l’exploitation et la modernisation des installations du CERN ont été un moteur majeur 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.
Science ambitieuse dès le premier jour
Le CERN a été fondé en 1954 par 12 pays européens, 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 moderne est née au CERN, notamment :
- La découverte des bosons faibles transportant l’une des 4 forces fondamentales a été récompensée par le Prix Nobel de Physique 1984.
- La première création d’atomes d’anti‑hydrogène.
- La découverte d’un nouvel état de la matière, le plasma quark‑gluon.
- Prix Nobel de Physique 1992 décerné à un chercheur du CERN pour son invention et le développement de détecteurs de particules.
- Prix Nobel de Physique 2013 décerné aux chercheurs du CERN pour la description et l’observation du boson de Higgs (responsable de conférer la masse aux particules).
Source: CERN
Aujourd’hui, le CERN compte 25 pays membres à part entière et 10 membres associés, ce qui constitue la première étape avant une éventuelle adhésion complète. À cela s’ajoutent les relations étroites avec 3 pays au statut d’observateur (Japon, Russie, États‑Unis) et la collaboration ou le contact scientifique avec presque tous les pays de la planète.
Le CERN emploie directement 3 500 personnes, le groupe le plus important étant composé de scientifiques et d’ingénieurs, suivi des techniciens, avec un peu moins d’une centaine de physiciens‑chercheurs.
Source: CERN
Infrastructures du CERN
Aucune des réalisations du CERN n’aurait été possible sans l’ingénierie de classe mondiale qui a permis de construire son accélérateur de particules et ses détecteurs.
Les accélérateurs de particules fonctionnent en faisant circuler les particules dans un vide poussé, dépourvu d’air ou de poussière. De puissants électroaimants et 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 m/s / 186 000 mi/s), heurte soit un autre faisceau de particules, soit une cible fixe.
La vitesse et l’énergie extrêmes de ces collisions permettent aux scientifiques de mieux comprendre la nature fondamentale de ces particules.
Source: Department of Energy
Aujourd’hui, l’accélérateur principal du CERN est le LHC (Large Hadron Collider), situé à Genève, en Suisse. Le LHC est un tunnel souterrain d’une profondeur allant jusqu’à 175 m (575 ft), formant un cercle de 27 km (17 mi) de circonférence.
À l’avenir, il pourrait être éclipsé par un accélérateur encore plus grand, de 90‑100 km, passant sous le lac Léman et tout autour de la ville (plus de détails ci‑dessous).
Source: Swisstopo
Aujourd’hui, en plus du « LHC principal », le CERN exploite 11 autres accélérateurs de particules pour des besoins de recherche spécifiques sur des particules plus lourdes, des protons, le plasma, l’étude de noyaux instables, etc. Ces accélérateurs se complètent souvent, de nombreux « feeds » alimentant les autres dans un système d’interconnexion complexe.
Source: CERN
L’institution possède également pas moins de 11 accélérateurs et collisionneurs mis hors service depuis les années 1950.
Technologie du CERN
LHC
L’emplacement profondément souterrain du LHC résulte d’un mélange de raisons scientifiques et financières. Il est moins coûteux de creuser un tunnel que d’acquérir un cercle de 27 km de terrain en surface, surtout dans la région onéreuse de Genève. Les couches de roche protègent également l’installation des radiations cosmiques et de surface.
Source: CERN
Le LHC est le plus puissant accélérateur de particules jamais construit. Il consomme en moyenne 600 GWh par an, soit environ la moitié de la consommation énergétique totale du CERN, qui est de 1,3 TWh. Pour mettre cela en perspective, la France consomme 500 TWh, l’UE 3 400 TWh et le monde 20 000 TWh.
Le LHC génère 2 faisceaux de particules, chacun circulant à une vitesse proche de celle de la lumière, qui entrent en collision. 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 énergétique de l’exploitation provient des électroaimants, tant pour leur fonctionnement que pour l’énergie nécessaire à la production de cette énorme quantité 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 campagne incluant la découverte du boson de Higgs, il est en cours d’une vaste mise à niveau et de travaux de maintenance afin de préparer la deuxième campagne, qui portera la puissance des collisions à 13 TeV (téraélectronvolts).
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 ce que l’on appelle l’énergie sombre et la matière sombre.
Les niveaux d’énergie extrêmes atteints devraient également nous donner un aperçu des premiers instants de l’Univers, dans un état de « plasma quark‑gluon ».
ATLAS
Un complément clé au LHC est le détecteur de particules ATLAS. C’est le plus grand détecteur de particules jamais construit, mesurant 46 m (150 ft) de long et 25 m (82 ft) de diamètre.
Les détecteurs contiennent plus de 100 millions de canaux électroniques sensibles pour enregistrer les particules produites par les collisions.
Il comprend de nombreux sous‑détecteurs, chacun jouant un rôle distinct, afin de détecter simultanément photons, électrons, muons, pions, etc.
Source: ATLAS
Plus de 5 900 physiciens, ingénieurs, techniciens, étudiants et administrateurs ont travaillé à la construction et à l’exploitation d’ATLAS, représentant 180 institutions scientifiques provenant de plus de 40 pays.
CERN – Technologies Nées
Tous ces kilomètres d’accélérateurs de particules ont donné naissance à de nombreuses technologies utiles à l’humanité au fil du temps.
L’invention d’Internet
Peut‑être la technologie la plus impactante jamais issue du CERN : Internet ; vraiment.
Le CERN a créé le protocole TCP/IP pour son propre réseau interne, et le concept du World Wide Web a été inventé au CERN par Tim Berners‑Lee, qui a réalisé le tout premier site web (suivez le lien pour voir à quoi il ressemblait).
Il était initialement pensé comme un moyen pour les chercheurs d’échanger plus facilement données et idées.
Source: CERN
En 1993, le CERN a mis le logiciel du World Wide Web à la disposition du monde en tant que propriété intellectuelle du domaine public. Il a également été pionnier du calcul en grille, le processus consistant à effectuer un calcul via plusieurs ordinateurs connectés par le web.
Ainsi, paradoxalement, l’une des plus grandes contributions du CERN, organisation de recherche sur les accélérateurs de particules, a été de favoriser l’échange libre de toutes les connaissances, données et logiciels, plutôt que de se limiter à une expérience de physique quantique.
Applications Médicales
Une application des recherches du CERN est une compréhension plus profonde des accélérateurs de particules. Des accélérateurs de plus petite taille sont aujourd’hui couramment utilisés dans les hôpitaux pour la radiothérapie dans le traitement du cancer. La recherche continue les a rendus de plus en plus efficaces, plus petits et moins chers avec le temps.
Une contribution supplémentaire à la thérapie du cancer se situe dans le domaine de la médecine nucléaire, ou l’utilisation d’isotopes rares pour tuer les cellules cancéreuses.
Certains de ces radio‑isotopes sont produits uniquement au CERN.
L’imagerie médicale est un autre domaine où la physique des particules est cruciale, des rayons X à l’IRM, en passant par la tomographie par émission de positons (PET) et la tomodensitométrie (CT).
Plusieurs améliorations en radiothérapie à hadrons, ainsi que l’imagerie médicale, proviennent directement 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 de virus dans des espaces clos avec différents paramètres, tels que la taille de la pièce, le temps passé dans la pièce, le port du masque, le nombre de personnes et la ventilation.
Énergie et Technologies Vertes
Le CERN collabore avec Airbus en apportant son expertise aux câbles supraconducteurs pour des avions potentiellement plus légers, voire 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 illimitée d’énergie propre s’il réussit. Étant donné 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 des données
Lorsque les 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 experts dans la conception d’algorithmes capables de décider, en temps réel, quelles données sont les plus intéressantes.
Le CERN collabore avec des entreprises comme CEVA (capteurs) ou ABB Motors pour utiliser ces algorithmes afin d’optimiser la consommation énergétique des installations et équipements du CERN en cours de développement.
Cela 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 dans les drones et les systèmes robotiques en général, notamment avec l’entreprise Terabee.
Aérospatiale
Le CERN possède une longue expérience dans la gestion de formes de rayonnement intenses et parfois exotiques produites par ses équipements et expériences.
Cela peut être exploité dans des applications pratiques pour le blindage radiatif des satellites et des expériences habitées dans l’espace, souvent en collaboration avec l’Agence spatiale européenne (ESA).
Par exemple, le CERN possède la seule installation sur Terre capable de reproduire l’environnement radiatif hostile de Jupiter.
Autres Applications
Les exigences du CERN pour que tous ses détecteurs et systèmes soient parfaitement synchronisés à la nanoseconde près en ont fait un expert dans ce domaine également.
Les normes open‑source « CERN‑born time‑synchronisation » peuvent être utilisées dans les télécommunications, les marchés financiers et les réseaux quantiques. Par exemple, le fournisseur de trading Deutsche Börse (DB1.DE ) les utilise dans son infrastructure de système de trading.
Éducation
Le CERN agit également comme une ressource éducative pour les sciences avancées et la physique.
Cela inclut la mise à disposition gratuite d’un modèle imprimable en 3D de son équipement, des bandes dessinées explicatives et des matériaux de classe pour les enseignants.
En parallèle, il fournit gratuitement son propre cadre de bibliothèque numérique open‑source haute performance, aujourd’hui utilisé par les bibliothèques, universités et institutions mondiales.
L’engagement du CERN à partager le savoir se manifeste également dans sa filiale Orvium, une infrastructure de publication open‑source et décentralisée pour les publications scientifiques.
Enfin, le CERN propose des visites éducatives des installations, un musée local et des expositions d’art.
CERN – Infrastructures Futures et Réalisations
LHC à Haute Luminosité (HL–LHC)
Alors que les chercheurs et techniciens du CERN travaillent d’arrache‑pied pour extraire le maximum des installations actuelles, ils envisagent déjà les étapes suivantes.
La première sera le « High Luminosity LHC », ou HL–LHC, une mise à niveau visant à augmenter la luminosité du LHC par un facteur 10. Par exemple, le LHC à haute luminosité produira au moins 15 millions de bosons de Higgs par an, contre environ trois millions en 2017 avec le LHC.
Source: CERN
La mise à niveau comprendra des améliorations des aimants, des liaisons supraconductrices, une protection renforcée et de meilleurs accélérateurs.
Le HL–LHC devrait être opérationnel au milieu des années 2030, les travaux de génie civil ayant démarré en avril 2018, et ayant reçu ses premiers aimants en décembre 2024.
Collisionneur Circulaire Futur (FCC)
Après le LHC, un gigantesque design de 90 km est prévu comme prochaine étape des accélérateurs de particules, appelé le Future Circular Collider (FCC). Il sera construit à une profondeur moyenne de 200 m (656 ft).
Les premières expériences dureront 15 ans, débutant au milieu des années 2040 avec le FCC‑ee, un collisionneur électron‑positron. La consommation d’énergie du FCC‑ee devrait varier entre 1 et 1,8 TWh/an.
Une seconde machine, le FCC‑hh, un collisionneur proton‑proton, serait installée dans le même tunnel et démarrerait dans les années 2070 pour fonctionner plus de 25 ans.
Le projet complet devrait coûter environ 15 milliards de CHF, répartis sur 15 ans. La finalisation de l’étude de faisabilité est prévue pour 2025, avec une décision finale du comité du CERN d’ici 2027‑2028 et le début de la construction 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 profonde de la physique sera probablement cruciale pour améliorer les performances des ordinateurs et ouvrir de nouvelles possibilités pour les sciences des matériaux. Et ce faisant, permettre à l’humanité de devenir une civilisation véritablement avancée capable de naviguer parmi les étoiles, de créer une intelligence artificielle véritable ou de profiter d’une énergie abondante et illimitée.
Entreprise Liée au CERN
CEVA Graphique du prix
CEVA est une société de capteurs et un partenaire du CERN pour utiliser les algorithmes de l’institution afin d’améliorer l’efficacité et la consommation énergétique de ses capteurs. Les solutions et la propriété intellectuelle de CEVA (200 brevets) sont intégrées dans 18 milliards d’appareils.
Les solutions de l’entreprise sont utilisées par de nombreuses marques électroniques leaders à travers le monde.
Source: CEVA
L’application principale de la collaboration entre CEVA et le CERN est « 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 edge).
Il n’est pas surprenant de voir des algorithmes de physique des particules réutilisés dans des applications d’IA, les réseaux neuronaux ayant, par exemple, été employés pour identifier le boson de Higgs. L’analyse des données d’accélérateurs de particules doit être effectuée sur site plutôt que 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 pourront être utilisés dans de futures expériences 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 rapidement par rapport aux modèles de base 16 bits.
Elle améliore la vitesse du réseau et réduit la consommation d’énergie jusqu’à 90 % tout en maintenant une précision comparable. »
Ceci n’est qu’un exemple des progrès technologiques de CEVA, l’entreprise étant active dans la connectivité 5G (y compris le 5G satellite) et l’IoT (Internet des objets) avec des solutions d’IA embarquées, tant pour les solutions industrielles que domestiques. Elle est également leader des solutions Wi‑Fi 6 et occupe une position de leader dans le Wi‑Fi 7.
Source: CEVA
CEVA bénéficie grandement de la tendance combinée de la connectivité 5G (y compris le 5G satellite) et de l’IoT avec des solutions d’IA intégrées, tant pour les solutions industrielles que domestiques. Elle est également leader des solutions Wi‑Fi 6 et occupe une position de leader dans le Wi‑Fi 7.
Source: Ruije
En tant qu’entreprise 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 de la 5G.
Elle peut être une entreprise intéressante à la pointe du progrès technologique dans le traitement des données et l’Edge AI, comme l’illustre la sélection du CERN pour l’aider dans certaines des analyses de données les plus complexes jamais réalisées par l’humanité.
