CERN: Memahami Partikel untuk Membangun Dunia Modern

CERN Sebagai Akar Ilmu Pengetahuan Modern

Organisasi Eropa untuk Penelitian Nuklir, atau CERN, telah menjadi salah satu fasilitas terpenting di dunia untuk mempelajari partikel subatomik dan fisika fundamental.

Ini adalah pekerjaan penting, karena fisika kuantum dan relativitas telah menjadi ilmu dasar di balik banyak, bahkan sebagian besar, inovasi teknologi dunia modern, termasuk komputer, ponsel, laser, telekomunikasi, satelit, MRI, panel surya, mikroskop canggih, energi nuklir, dll.

Hal ini karena semua teknologi tersebut memerlukan pemahaman mendalam tentang perilaku atom, elektron, dan partikel lainnya pada skala terkecil. Dan hal tersebut tidak intuitif, melampaui model sederhana elektron yang mengorbit inti atom. Misalnya, bahkan atom paling sederhana, hidrogen, memerlukan persamaan kompleks untuk menggambarkan perilaku elektron secara akurat.

Sumber: Department of Energy

CERN juga telah menjadi inisiatif ilmiah yang benar-benar global dan internasional, dari mana banyak penemuan lain, termasuk Internet itu sendiri, muncul.

Akhirnya, pembangunan, pengoperasian, dan peningkatan fasilitas CERN telah menjadi pendorong utama dalam memperkuat riset dan rekayasa di banyak bidang ilmiah maju seperti superkonduktor, sensor, serta laser dan magnet yang sangat kuat.

Ilmu Ambisius Sejak Hari Pertama

CERN didirikan pada tahun 1954 oleh 12 negara Eropa, dengan akronim bahasa Prancis “Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire” yang menjadi nama institusinya.

Sumber: Wikipedia

Tidak berlebihan mengatakan bahwa sebagian besar fisika partikel modern lahir di CERN, antara lain:

• Penemuan bos lemah yang membawa salah satu dari 4 gaya fundamental, dianugerahi Hadiah Nobel Fisika 1984.
• Penciptaan pertama atom antihidrogen.
• Penemuan keadaan materi baru, plasma kuark-gluon.
• Hadiah Nobel Fisika 1992 kepada peneliti CERN atas penemuan dan pengembangan detektor partikel.
• Hadiah Nobel Fisika 2013 kepada peneliti CERN atas deskripsi dan observasi bos Higgs (yang memberikan massa pada partikel).

Sumber: CERN

Saat ini, CERN melibatkan 25 negara sebagai anggota penuh dan 10 anggota asosiasi, yang merupakan langkah pertama sebelum kemungkinan menjadi anggota penuh. Selain itu, terdapat hubungan erat dengan 3 negara yang memiliki status pengamat (Jepang, Rusia, AS) serta kolaborasi atau kontak ilmiah dengan hampir setiap negara di dunia.

CERN secara langsung mempekerjakan 3.500 orang, dengan kelompok terbesar terdiri dari ilmuwan dan insinyur, diikuti oleh teknisi, serta hampir seratus fisikawan riset.

Sumber: CERN

Infrastruktur CERN

Tak satu pun pencapaian CERN akan mungkin tercapai tanpa rekayasa kelas dunia yang digunakan untuk membangun akselerator partikel dan detektor mereka.

Akselerator partikel bekerja dengan memindahkan partikel dalam vakum kuat, bebas dari udara atau debu. Elektromagnet kuat dan medan listrik mempercepat partikel dan menjaga mereka tetap terkonfinasi dalam akselerator. Partikel yang dipercepat, kadang mencapai 99,9% kecepatan cahaya (299 792 458 meter per detik / 186.000 mil per detik), menabrak berkas partikel lain atau target tetap.

Kecepatan dan energi ekstrem dalam tumbukan ini memungkinkan ilmuwan memahami lebih dalam sifat fundamental partikel-partikel tersebut.

Sumber: Department of Energy

Saat ini, akselerator partikel utama CERN adalah LHC (Large Hadron Collider), yang terletak di Jenewa, Swiss. LHC merupakan terowongan bawah tanah dengan kedalaman hingga 175 meter (575 kaki), membentuk lingkaran dengan keliling 27 kilometer (17 mil).

Di masa depan, LHC mungkin akan terlampaui oleh akselerator yang lebih besar dengan panjang 90‑100 km yang melintasi Danau Jenewa dan mengelilingi kota (lebih lanjut di bawah).

Sumber: Swisstopo

Saat ini, selain “LHC utama”, CERN mengoperasikan 11 akselerator partikel lain untuk kebutuhan riset khusus pada partikel yang lebih berat, proton, plasma, studi inti tidak stabil, dll. Akselerator-akselerator ini sering saling melengkapi, dengan banyak yang “menyumbangkan” partikel yang dibutuhkan ke akselerator lain dalam sistem yang saling terkait kompleks.

Sumber: CERN

Institusi ini juga memiliki tidak kurang dari 11 akselerator dan kolider partikel yang telah dihentikan operasinya sejak tahun 1950-an.

Teknologi CERN

LHC

Lokasi LHC yang berada jauh di bawah tanah disebabkan oleh kombinasi alasan ilmiah dan finansial. Lebih murah menggali terowongan daripada membeli lahan permukaan seluas lingkaran dengan diameter 27 km, terutama di wilayah Jenewa yang mahal. Lapisan batu juga melindungi fasilitas dari radiasi kosmik dan radiasi permukaan.

Sumber: CERN

LHC adalah akselerator partikel terkuat yang pernah dibangun. Ia mengkonsumsi rata-rata 600 GWh per tahun, sekitar setengah dari total konsumsi energi CERN sebesar 1,3 TWh. Sebagai perbandingan, seluruh Prancis mengkonsumsi 500 TWh, UE 3400 TWh, dan dunia 20.000 TWh.

LHC menghasilkan 2 berkas partikel, masing‑masing bergerak mendekati kecepatan cahaya, yang kemudian bertabrakan satu sama lain. Mereka diarahkan dan dikendalikan oleh 9.593 elektromagnet superkonduktor yang didinginkan dengan helium cair pada -271,3 °C (-456,34 °F).

Sebagian besar konsumsi energi operasional disebabkan oleh elektromagnet, baik untuk mengoperasikannya maupun energi yang dibutuhkan untuk memproduksi sejumlah besar helium cair tersebut.

Tujuan LHC

LHC melakukan tumbukan pertamanya pada tahun 2008 dan diperkirakan akan beroperasi hingga 2040-an. Setelah putaran pertama yang mencakup penemuan bos Higgs, sedang berlangsung peningkatan dan pemeliharaan besar‑besar untuk mempersiapkan putaran kedua, yang akan meningkatkan tingkat energi LHC menjadi tumbukan 13 TeV (tera elektronvolt).

Setelah penemuan bos Higgs, LHC diharapkan membantu menjawab pertanyaan fundamental tentang alam semesta, termasuk peran dan sifat yang disebut energi gelap serta materi gelap.

Tingkat energi ekstrem yang dicapai juga akan memberi wawasan tentang tahap awal alam semesta, dalam keadaan “plasma kuark‑gluon”.

ATLAS

Pelengkap utama LHC adalah detektor partikel ATLAS. Ini adalah detektor partikel terbesar yang pernah dibangun, dengan panjang 46 meter (150 kaki) dan diameter 25 meter (82 kaki).

Detektor ini memiliki lebih dari 100 juta saluran elektronik sensitif untuk merekam partikel yang dihasilkan oleh tumbukan.

Ia terdiri dari banyak sub‑detektor, masing‑masing memiliki peran terpisah, untuk mendeteksi secara bersamaan foton, elektron, muon, pion, dll.

Sumber: ATLAS

Lebih dari 5.900 fisikawan, insinyur, teknisi, mahasiswa, dan administrator telah bekerja dalam pembangunan dan pengoperasian ATLAS, mewakili 180 institusi ilmiah dari lebih dari 40 negara.

CERN – Teknologi yang Lahir

Seluruh kilometer akselerator partikel ini telah menghasilkan banyak teknologi berguna bagi umat manusia seiring waktu.

Menciptakan Internet

Mungkin teknologi paling berdampak yang pernah lahir dari CERN adalah Internet; sungguh.

CERN menciptakan protokol TCP/IP untuk jaringan internalnya, dan konsep World Wide Web diciptakan di CERN oleh Tim Berners-Lee, yang membuat website pertama di dunia (ikuti tautan untuk melihat tampilannya).

Pada awalnya, hal ini dipikirkan sebagai cara bagi peneliti untuk bertukar data dan ide dengan lebih mudah.

Sumber: CERN

Pada tahun 1993, CERN menawarkan perangkat lunak World Wide Web ke dunia sebagai properti intelektual domain publik. CERN juga menjadi pelopor dalam komputasi grid, proses melakukan perhitungan melalui banyak komputer yang terhubung melalui web.

Jadi mungkin secara paradoks, salah satu kontribusi terbesar CERN, sebuah organisasi riset akselerator partikel, adalah meningkatkan pertukaran bebas semua pengetahuan, data, dan perangkat lunak, alih‑alih hanya menjadi eksperimen fisika kuantum.

Aplikasi Medis

Salah satu aplikasi riset CERN adalah pemahaman lebih dalam tentang akselerator partikel. Akselerator berukuran lebih kecil kini secara rutin digunakan di rumah sakit untuk radioterapi dalam pengobatan kanker. Penelitian berkelanjutan telah membuatnya semakin efisien, lebih kecil, dan lebih murah seiring waktu.

Kontribusi tambahan untuk terapi kanker terdapat di bidang kedokteran nuklir, yaitu penggunaan isotop langka untuk membunuh sel kanker.

Sejak 2017, infrastruktur CERN-MEDICIS telah memproduksi radioisotop inovatif khusus untuk aplikasi medis dan menyediakan mereka kepada dokter dan peneliti medis yang dapat menilai kesesuaiannya untuk perawatan lanjutan dan pencitraan.

Beberapa radioisotop ini diproduksi secara unik di CERN.

Pencitraan medis adalah bidang lain di mana fisika partikel sangat penting, mulai dari sinar‑X, MRI, pemindaian PET, hingga tomografi terkomputasi (CT).

Beberapa perbaikan dalam radioterapi hadron, serta pencitraan medis, secara langsung berasal dari sensor yang dikembangkan untuk detektor partikel ATLAS.

Selama pandemi Covid, CERN mengembangkan alat sumber terbuka (COVID Airborne Risk Assessment tool – CARA) untuk memodelkan konsentrasi virus di ruang tertutup dengan berbagai parameter, seperti ukuran ruangan, waktu yang dihabiskan di dalam ruangan, penggunaan masker, jumlah orang, dan ventilasi.

Energi & Teknologi Hijau

CERN telah berkolaborasi dengan Airbus dengan membawa keahliannya pada kabel superkonduktor untuk pesawat yang berpotensi lebih ringan, atau bahkan pesawat listrik.

Pengalaman institusi dalam menguji material pada suhu sangat rendah juga berguna untuk menguji potensi hidrogen dalam transportasi udara.

CERN juga berkolaborasi erat dengan ITER, proyek fusi nuklir terbesar di dunia, yang dapat menawarkan pasokan energi bersih tak terbatas jika berhasil. Mengingat fusi nuklir sebagian besar bergantung pada magnet ultra‑kuat dan material superkonduktor, keterkaitan dengan keahlian CERN jelas.

Pemrosesan Data

Ketika partikel terdeteksi, aliran data yang dihasilkan dalam mikrodetik sangat besar. Lebih problematis, 40 terabyte per detik tidak mungkin disimpan untuk diproses kemudian.

Hal ini membuat ilmuwan CERN menjadi ahli dalam merancang algoritma yang dapat memutuskan data mana yang paling menarik secara real‑time.

CERN berkolaborasi dengan perusahaan seperti CEVA (sensor) atau ABB Motors untuk menggunakan algoritma tersebut guna mengoptimalkan konsumsi energi fasilitas dan peralatan CERN yang sedang dikembangkan.

Ini juga digunakan oleh perusahaan keselamatan mobil Zenseact untuk mengembangkan sistem mengemudi otonom dengan latensi rendah.

Prinsip yang sama juga diterapkan pada drone dan sistem robotik secara umum, terutama dengan perusahaan Terabee.

Dirgantara

CERN memiliki pengalaman panjang dalam menangani radiasi intens dan kadang eksotik yang dihasilkan oleh peralatan dan eksperimennya.

Hal ini dapat dimanfaatkan dalam aplikasi praktis untuk pelindung radiasi satelit dan percobaan berawak di luar angkasa, sering kali bekerja sama dengan Badan Antariksa Eropa (ESA).

Misalnya, CERN memiliki satu‑satunya instalasi di Bumi yang mampu mereplikasi lingkungan radiasi keras Jupiter.

Aplikasi Lainnya

Persyaratan CERN agar semua detektor partikel dan sistemnya sinkron sempurna hingga nanodetik menjadikannya ahli di bidang ini juga.

Standar sinkronisasi waktu “CERN-born” yang bersifat sumber terbuka dapat digunakan dalam telekomunikasi, pasar keuangan, dan jaringan kuantum. Misalnya, penyedia perdagangan Deutsche Börse menggunakan standar ini dalam infrastruktur sistem perdagangan mereka.

Pendidikan

CERN juga berperan sebagai sumber pendidikan untuk ilmu pengetahuan dan fisika tingkat lanjut.

Ini termasuk menyediakan secara gratis model 3D yang dapat dicetak dari peralatannya, kartun penjelasan dan buku komik, serta materi kelas untuk guru.

Secara paralel, CERN menyediakan secara gratis kerangka kerja perpustakaan digital fleksibel, berperforma tinggi, dan bersifat sumber terbuka, yang kini digunakan oleh perpustakaan, universitas, dan institusi global.

CERN memelihara repositori riset umum terbesar di dunia, berbasis pada kerangka perpustakaan digital yang sama. Repositori yang mudah digunakan ini memungkinkan ilmuwan dari bidang apa pun untuk menyimpan dan berbagi hasil riset mereka.

Dedikasi CERN dalam berbagi pengetahuan juga terwujud dalam spin‑off Orvium, sebuah infrastruktur penerbitan untuk publikasi ilmiah bersifat sumber terbuka dan terdesentralisasi.

Akhirnya, CERN menyediakan tur edukasi fasilitas, museum lokal, dan pameran seni.

Infrastruktur & Pencapaian Masa Depan CERN

LHC Luminositas Tinggi (HL–LHC)

Sementara peneliti dan teknisi CERN bekerja keras untuk memaksimalkan hasil dari instalasi saat ini, mereka sekaligus menatap langkah selanjutnya.

Yang pertama adalah “LHC Luminositas Tinggi”, atau HL–LHC, sebuah peningkatan yang bertujuan meningkatkan luminositas LHC sebesar 10 kali. Misalnya, LHC Luminositas Tinggi akan menghasilkan setidaknya 15 juta bos Higgs per tahun, dibandingkan sekitar tiga juta dari LHC pada 2017.

Sumber: CERN

Peningkatan ini akan mencakup perbaikan pada magnet, tautan superkonduktor, perlindungan yang diperkuat, dan akselerator yang lebih baik.

HL–LHC diharapkan beroperasi pada pertengahan 2030‑an, karena pekerjaan teknik sipil dimulai pada April 2018, dan menerima magnet pertamanya pada Desember 2024.

Kolider Lingkaran Masa Depan (FCC)

Setelah LHC, desain raksasa sepanjang 90 km diharapkan menjadi langkah selanjutnya dalam akselerator partikel, yang disebut Future Circular Collider (FCC). Itu akan dibangun pada kedalaman rata‑rata 200 meter (656 kaki).

Eksperimen pertama akan berlangsung selama 15 tahun, dimulai pada pertengahan 2040‑an dengan FCC‑ee, sebuah kolider elektron‑positron. Konsumsi energi FCC‑ee diperkirakan berkisar antara 1 hingga 1,8 TWh/tahun.

Mesin kedua, FCC‑hh, sebuah kolider proton‑proton, akan dipasang di terowongan yang sama dan mulai beroperasi pada 2070‑an serta berjalan lebih dari 25 tahun.

Seluruh proyek diperkirakan akan menelan biaya sekitar CHF15 miliar, tersebar selama 15 tahun. Penyelesaian akhir studi kelayakan diharapkan pada 2025, dengan keputusan akhir oleh komite CERN pada 2027‑2028 dan konstruksi dimulai pada 2030‑an.

FCC dapat menyelidiki partikel yang diprediksi oleh teori yang melampaui model standar fisika partikel, yang memerlukan detektor lebih sensitif atau akselerasi yang lebih kuat.

Pemahaman fisika yang lebih dalam ini kemungkinan akan menjadi kunci untuk meningkatkan kinerja komputer dan membuka peluang baru dalam ilmu material. Dengan demikian, umat manusia dapat menjadi peradaban yang benar‑benar maju, mampu menavigasi bintang, menciptakan kecerdasan buatan sejati, atau menikmati energi tak terbatas yang melimpah.

Perusahaan Terkait CERN

CEVA

CEVA adalah perusahaan sensor dan mitra CERN untuk menggunakan algoritma institusi guna meningkatkan efisiensi dan konsumsi daya sensor mereka. Solusi dan IP CEVA (200 paten) terintegrasi ke dalam 18 miliar perangkat.

Solusi perusahaan ini digunakan oleh banyak merek elektronik terkemuka di seluruh dunia.

Sumber: CEVA

Aplikasi utama kolaborasi antara CEVA & CERN adalah “Edge AI”, atau aplikasi kecerdasan buatan yang diterapkan pada perangkat di luar pusat data (cloud) dan lebih dekat ke konsumen (edge).

Tidak mengherankan algoritma fisika partikel digunakan kembali dalam aplikasi AI, karena jaringan saraf, misalnya, digunakan untuk menemukan partikel bos Higgs. Analisis data akselerator partikel harus dilakukan di lokasi, bukan di cloud, karena volume data yang sangat besar dihasilkan dengan cepat.

CEVA membantu CERN menciptakan algoritma kompresi baru yang dapat digunakan dalam eksperimen mendatang dan akan dapat mengintegrasikan teknologi baru ini ke dalam produknya.

“Berkat kolaborasi kami dengan CERN, kami dapat mengembangkan pendekatan inovatif yang memungkinkan jaringan berjalan hingga 15 kali lebih cepat dibandingkan model dasar 16‑bit.

Ini meningkatkan kecepatan jaringan dan mengurangi konsumsi energi hingga 90% sambil mempertahankan akurasi yang sebanding.”

Olya Sirkin – Peneliti Senior Deep Learning di Ceva

Ini hanyalah salah satu kemajuan teknologi CEVA, dengan perusahaan yang aktif dalam konektivitas nirkabel, sensor (penglihatan, audio, gerakan), dan algoritma jaringan saraf.

Sumber: CEVA

CEVA sangat diuntungkan dari tren gabungan konektivitas 5G (termasuk satelit 5G) dan IoT (Internet of Things) dengan solusi AI terintegrasi, baik untuk solusi industri maupun rumah tangga. Perusahaan ini juga menjadi pemimpin dalam solusi WiFi 6 dan memiliki posisi terdepan dalam WiFi 7.

Sumber: Ruije

Sebagai perusahaan perangkat lunak dan IP, CEVA dikenal luas dan sering terlewat oleh investor yang tertarik pada sektor IoT dan 5G.

CEVA dapat menjadi perusahaan menarik di ujung terdepan kemajuan teknologi dalam pemrosesan data dan Edge AI, seperti yang ditunjukkan oleh pemilihan CERN terhadapnya untuk membantu dengan beberapa analisis data paling kompleks yang pernah dilakukan manusia.