Megaprogetti
CERN: Comprendere le Particelle per Costruire il Mondo Moderno
CERN come la radice della scienza moderna
L’Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare, o CERN, è stata una delle strutture più importanti al mondo per lo studio delle particelle subatomiche e della fisica fondamentale.
Questo è un lavoro importante, poiché la fisica quantistica e la relatività sono state le scienze fondamentali dietro molte, se non la maggior parte, delle innovazioni tecnologiche del mondo moderno, tra cui computer, telefoni cellulari, laser, telecomunicazioni, satelliti, risonanza magnetica, pannelli solari, microscopi avanzati, energia nucleare, ecc.
Ciò è dovuto al fatto che tutte queste tecnologie richiedono una profonda comprensione del comportamento di atomi, elettroni e altre particelle alla più piccola scala. E questi non sono affatto intuitivi, andando ben oltre il modello semplificato degli elettroni che orbitano attorno al nucleo dell’atomo. Per esempio, anche l’atomo più semplice possibile, l’idrogeno, richiede un’equazione complessa per descrivere come si comportano realmente i suoi elettroni.
Fonte: Department of Energy
Il CERN è stato anche una vera iniziativa scientifica globale e internazionale da cui sono nate molte altre scoperte, incluso Internet stesso.
Infine, la costruzione, l’operatività e l’aggiornamento delle strutture del CERN hanno rappresentato un importante motore per potenziare la ricerca e l’ingegneria in molti campi scientifici avanzati come i superconduttori, i sensori e i laser e magneti ultra-potenti.
Scienza Ambiziosa Fin dal Primo Giorno
Il CERN è stato fondato nel 1954 da 12 paesi europei, con l’acronimo francese “Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire” che gli ha dato il nome.
Fonte: Wikipedia
Non sarebbe un’esagerazione dire che gran parte della fisica delle particelle moderna è nata al CERN, in particolare:
- La scoperta dei bosoni deboli, portatori di una delle 4 forze fondamentali, è stata premiata con il Nobel per la Fisica nel 1984.
- La prima creazione di atomi di antidrone.
- La scoperta di un nuovo stato della materia, il plasma quark-gluone.
- Il Premio Nobel per la Fisica del 1992 è stato assegnato a un ricercatore del CERN per la sua invenzione e sviluppo dei rivelatori di particelle.
- Il Premio Nobel per la Fisica del 2013 è stato assegnato a ricercatori del CERN per la descrizione e l’osservazione dei bosoni di Higgs (responsabili di conferire massa alle particelle).
Fonte: CERN
Oggi, il CERN coinvolge 25 paesi come membri a pieno titolo e 10 membri associati, che rappresentano il primo passo verso una potenziale piena adesione. A questi vanno aggiunti anche i stretti rapporti con 3 paesi con status di osservatori (Giappone, Russia, USA) e la collaborazione o contatto scientifico con quasi tutti i paesi del pianeta.
Il CERN impiega direttamente 3.500 persone, il gruppo più numeroso è costituito da scienziati e ingegneri, seguiti da tecnici, con un numero di fisici della ricerca poco inferiore a cento.
Fonte: CERN
Infrastrutture del CERN
Nessuno dei risultati del CERN sarebbe stato possibile senza l’ingegneria di livello mondiale impiegata nella costruzione del suo acceleratore di particelle e dei rivelatori.
Gli acceleratori di particelle funzionano facendo muovere le particelle in un forte vuoto, privo di aria o polvere. Potenti elettromagneti e campi elettrici accelerano le particelle e le mantengono confinate nell’acceleratore. La particella accelerata, a volte al 99,9% della velocità della luce (299 792 458 metri al secondo / 186 000 miglia al secondo), colpisce un altro fascio di particelle o un bersaglio fisso.
L’estrema velocità e energia di queste collisioni consentono agli scienziati di comprendere meglio la natura fondamentale di queste particelle.
Fonte: Department of Energy
Oggi, l’acceleratore di particelle principale del CERN è l’LHC (Large Hadron Collider), situato a Ginevra, Svizzera. L’LHC è un tunnel sotterraneo profondo fino a 175 metri (575 piedi), che forma un cerchio di 27 chilometri (17 miglia) di circonferenza.
In futuro, potrebbe essere oscurato da un acceleratore ancora più grande, di 90‑100 km, che attraverserà il Lago di Ginevra e la città (maggiori dettagli più avanti).
Fonte: Swisstopo
Oggi, oltre all’LHC “principale”, il CERN gestisce 11 altri acceleratori di particelle per esigenze di ricerca specifiche su particelle più pesanti, protoni, plasma, studio di nuclei instabili, ecc. Questi acceleratori spesso si completano a vicenda, con molti che “alimentano” le particelle richieste agli altri in un complesso sistema interconnesso.
Fonte: CERN
L’istituzione possiede inoltre non meno di 11 acceleratori e collisori di particelle dismessi costruiti dagli anni ’50.
Tecnologia del CERN
LHC
La posizione sotterranea profonda dell’LHC è il risultato di una combinazione di ragioni scientifiche e finanziarie. È più economico scavare un tunnel che acquisire un’area di superficie di 27 km di diametro, soprattutto nella costosa regione di Ginevra. Gli strati di roccia inoltre proteggono la struttura dalle radiazioni cosmiche e di superficie.
Fonte: CERN
L’LHC è l’acceleratore di particelle più potente mai costruito. Consuma, in media, 600 GWh all’anno, circa la metà del consumo energetico totale del CERN di 1,3 TWh. Per mettere in prospettiva, l’intera Francia consuma 500 TWh, l’UE 3400 TWh e il mondo 20.000 TWh.
L’LHC genera 2 fasci di particelle, ciascuno viaggiando quasi alla velocità della luce, che collidono tra loro. Sono guidati e confinati da 9593 elettromagneti superconduttori raffreddati con elio liquido a -271,3 °C (-456,34 °F).
La maggior parte del consumo energetico dell’operazione è dovuta agli elettromagneti, sia per farli funzionare sia per l’energia necessaria a produrre questa enorme quantità di elio liquido.
Obiettivi dell’LHC
L’LHC ha effettuato la sua prima collisione nel 2008 e si prevede che operi fino agli anni 2040. Dopo una prima fase che ha incluso la scoperta del bosone di Higgs, è in corso un massiccio lavoro di aggiornamento e manutenzione per preparare la seconda fase, che aumenterà i livelli di energia dell’LHC a collisioni di 13 TeV (teraelectronvolt).
Dopo la scoperta del bosone di Higgs, si prevede che l’LHC aiuti a rispondere a domande fondamentali sull’Universo, incluso il ruolo e la natura della cosiddetta energia oscura e della materia oscura.
I livelli di energia estremi raggiunti dovrebbero inoltre fornire indicazioni sullo stadio iniziale dell’Universo, in uno stato di “plasma quark-gluone”.
ATLAS
Un complemento chiave all’LHC è il rivelatore di particelle ATLAS. È il più grande rivelatore di particelle mai costruito, lungo 46 metri (150 piedi) e con un diametro di 25 metri (82 piedi).
I rivelatori contengono oltre 100 milioni di canali elettronici sensibili per registrare le particelle prodotte dalle collisioni.
Contiene numerosi sottorivelatori, ognuno con un ruolo specifico, per rilevare simultaneamente fotoni, elettroni, muoni, pioni, ecc.
Fonte: ATLAS
Oltre 5900 fisici, ingegneri, tecnici, studenti e amministratori hanno lavorato alla costruzione e gestione di ATLAS, rappresentando 180 istituzioni scientifiche provenienti da più di 40 paesi.
CERN – Tecnologie Nascite
tutti questi chilometri di acceleratori di particelle hanno prodotto molte tecnologie utili per l’umanità nel tempo.
Inventare Internet
Forse la tecnologia più impattante mai nata al CERN è stata Internet; davvero.
Il CERN ha creato il protocollo TCP/IP per la sua rete interna, e il concetto di World Wide Web è stato inventato al CERN da Tim Berners-Lee, che ha realizzato il primo sito web in assoluto (segui il collegamento per vedere com’era).
Inizialmente era concepito come un modo per i ricercatori di scambiare dati e idee più facilmente.
Fonte: CERN
Nel 1993, il CERN ha offerto al mondo il software del World Wide Web come proprietà intellettuale di dominio pubblico. È stato anche un pioniere del grid computing, il processo di eseguire un calcolo attraverso più computer collegati tramite il web.
Quindi, forse paradossalmente, uno dei più grandi contributi del CERN, un’organizzazione di ricerca sugli acceleratori di particelle, è stato quello di promuovere lo scambio libero di tutta la conoscenza, i dati e il software, anziché un esperimento di fisica quantistica.
Applicazioni Mediche
Una delle applicazioni della ricerca del CERN è una comprensione più approfondita degli acceleratori di particelle. Acceleratori di dimensioni ridotte sono ora utilizzati regolarmente negli ospedali per la radioterapia nei trattamenti contro il cancro. La ricerca continua li ha resi sempre più efficienti, più piccoli e più economici nel tempo.
Un ulteriore contributo alla terapia oncologica è nel campo della medicina nucleare, ovvero l’uso di isotopi rari per uccidere le cellule tumorali.
Alcuni di questi radioisotopi sono prodotti in modo unico al CERN.
L’imaging medico è un altro campo in cui la fisica delle particelle è fondamentale, dalle radiografie alla risonanza magnetica, alle scansioni PET e alla tomografia computerizzata (CT).
Numerosi miglioramenti nella radioterapia a hadron, così come nell’imaging medico, provengono direttamente dai sensori sviluppati per il rivelatore di particelle ATLAS.
Durante la pandemia di Covid, il CERN ha sviluppato uno strumento open-source (COVID Airborne Risk Assessment tool – CARA) per modellare la concentrazione di virus in spazi chiusi con parametri variabili, come la dimensione della stanza, il tempo trascorso nella stanza, l’uso della mascherina, il numero di persone e la ventilazione.
Energia e Tecnologia Verde
Il CERN ha collaborato con Airbus portando la sua esperienza nei cavi superconduttori per aerei potenzialmente più leggeri, o addirittura aerei elettrici.
L’esperienza dell’istituzione nel testare materiali a temperature estremamente basse è anche utile per valutare il potenziale dell’idrogeno nel trasporto aereo.
Il CERN collabora strettamente anche con ITER, il più grande progetto di fusione nucleare al mondo, che potrebbe offrire una fornitura illimitata di energia pulita se avrà successo. Considerando che la fusione nucleare si basa principalmente su magneti ultra-potenti e materiali superconduttori, la sovrapposizione con l’expertise del CERN è evidente.
Elaborazione Dati
Quando le particelle vengono rilevate, il flusso di dati generato in microsecondi è enorme. Ancora più problematico, questi 40 terabyte al secondo non possono essere memorizzati per un’elaborazione successiva.
Ciò ha portato gli scienziati del CERN a diventare esperti nella progettazione di algoritmi in grado di decidere al volo quali dati siano i più interessanti.
Il CERN collabora con aziende come CEVA (sensori) o ABB Motors per utilizzare tali algoritmi al fine di ottimizzare il consumo energetico delle strutture e delle attrezzature del CERN in fase di sviluppo.
Questo è anche utilizzato dalla società di sicurezza automobilistica Zenseact per sviluppare sistemi di guida autonoma a bassa latenza.
Gli stessi principi vengono impiegati in generale per droni e sistemi robotici, in particolare con l’azienda Terabee.
Aerospazio
Il CERN ha una lunga esperienza nella gestione di forme intense e talvolta esotiche di radiazione prodotte dalle sue apparecchiature ed esperimenti.
Ciò può essere sfruttato in applicazioni pratiche per la protezione dalle radiazioni di satelliti e esperimenti con equipaggio nello spazio, spesso in collaborazione con l’Agenzia Spaziale Europea (ESA).
Ad esempio, il CERN possiede l’unica installazione sulla Terra in grado di replicare l’ambiente radiante ostile di Giove.
Altre Applicazioni
I requisiti del CERN di avere tutti i suoi rivelatori e sistemi di particelle in perfetta sincronizzazione fino al nanosecondo lo hanno reso anche un esperto in questo campo.
Gli standard open-source di “sincronizzazione temporale nata al CERN” possono essere utilizzati nelle telecomunicazioni, nei mercati finanziari e nelle reti quantistiche. Per esempio, il provider di trading Deutsche Börse li utilizza nella loro infrastruttura di sistemi di trading.
Educazione
Il CERN funge anche da risorsa educativa per le scienze avanzate e la fisica.
Ciò include la fornitura gratuita di un modello stampabile in 3D delle sue apparecchiature, cartoni esplicativi e fumetti, e materiali didattici per gli insegnanti.
Parallelamente, fornisce gratuitamente il proprio framework di biblioteca digitale flessibile, ad alte prestazioni e open-source, oggi utilizzato da biblioteche, università e istituzioni globali.
L’impegno del CERN nella condivisione della conoscenza si manifesta anche nella sua spin-off Orvium, un’infrastruttura di pubblicazione per pubblicazioni scientifiche open-source e decentralizzate.
Infine, il CERN offre visite educative delle strutture, un museo locale e mostre d’arte.
Futuri Infrastrutture e Traguardi del CERN
LHC ad Alta Luminosità (HL–LHC)
Mentre i ricercatori e i tecnici del CERN lavorano duramente per ottenere il massimo dalle installazioni attuali, contemporaneamente guardano ai prossimi passi.
Il primo sarà l'”LHC ad Alta Luminosità”, o HL–LHC, un aggiornamento volto a incrementare la luminosità dell’LHC di 10 volte. Per esempio, l’LHC ad Alta Luminosità produrrà almeno 15 milioni di bosoni di Higgs all’anno, rispetto ai circa tre milioni prodotti dall’LHC nel 2017.
Fonte: CERN
L’aggiornamento includerà miglioramenti nei magneti, nei collegamenti superconduttori, nella protezione rinforzata e in acceleratori migliori.
L’HL–LHC dovrebbe essere operativo a metà degli anni 2030, poiché i lavori di ingegneria civile sono iniziati nell’aprile 2018, e ha ricevuto i primi magneti nel dicembre 2024.
Collisore Circolare Futuro (FCC)
Dopo l’LHC, è previsto un progetto gigantesco di 90 km come prossimo passo degli acceleratori di particelle, chiamato Future Circular Collider (FCC). Sarà costruito a una profondità media di 200 metri (656 piedi).
I primi esperimenti dureranno 15 anni, iniziando a metà degli anni 2040 con il FCC-ee, un collisore elettrone-positrone. Si prevede che il consumo energetico del FCC-ee vari tra 1 e 1,8 TWh/anno.
Una seconda macchina, il FCC-hh, un collisore protone-protone, sarebbe installata nello stesso tunnel e inizierebbe negli anni 2070, operando per più di 25 anni.
L’intero progetto dovrebbe costare circa CHF15 miliardi, distribuiti su 15 anni. Il completamento finale dello studio di fattibilità è previsto per il 2025, con una decisione finale del comitato del CERN entro il 2027‑2028 e l’inizio della costruzione negli anni 2030.
Il FCC potrebbe indagare particelle previste da teorie che vanno oltre il modello standard della fisica delle particelle, il che richiederebbe detector più sensibili o accelerazioni più potenti.
Questa comprensione più profonda della fisica sarà probabilmente cruciale per migliorare le prestazioni dei computer e aprire nuove possibilità per le scienze dei materiali. E facendo ciò, consentirà all’umanità di diventare una civiltà veramente avanzata, capace di navigare tra le stelle, creare una vera intelligenza artificiale o godere di energia illimitata e abbondante.
Azienda Correlata al CERN
CEVA
(CEVA )
CEVA è un’azienda di sensori e partner del CERN per utilizzare gli algoritmi dell’istituzione al fine di migliorare l’efficienza e il consumo energetico dei suoi sensori. Le soluzioni e la proprietà intellettuale di CEVA (200 brevetti) sono integrate in 18 miliardi di dispositivi.
Le soluzioni dell’azienda sono utilizzate da molti dei principali marchi elettronici in tutto il mondo.
Fonte: CEVA
L’applicazione principale della collaborazione tra CEVA e il CERN è “Edge AI”, ovvero applicazioni di intelligenza artificiale distribuite su dispositivi lontani dai data center (il cloud) e più vicini ai consumatori (il edge).
Non sorprende vedere gli algoritmi della fisica delle particelle riutilizzati in applicazioni AI, poiché le reti neurali, ad esempio, sono state impiegate per individuare il bosone di Higgs. L’analisi dei dati degli acceleratori di particelle deve essere effettuata in loco anziché nel cloud, a causa dell’enorme volume di dati prodotti molto rapidamente.
Ceva ha aiutato il CERN a creare nuovi algoritmi di compressione che potranno essere utilizzati nei futuri esperimenti e sarà in grado di integrare questa nuova tecnologia nei suoi prodotti.
“Grazie alla nostra collaborazione con il CERN siamo stati in grado di sviluppare un approccio innovativo che consente alle reti di funzionare fino a 15 volte più velocemente rispetto ai modelli di base a 16 bit.
Sta migliorando la velocità della rete e riducendo il consumo energetico fino al 90% mantenendo un’accuratezza comparabile.”
Questo è solo uno dei progressi tecnologici di CEVA, con l’azienda attiva nella connettività wireless, nei sensori (visione, audio, movimento) e negli algoritmi di reti neurali.
Fonte: CEVA
CEVA beneficia notevolmente dalla combinazione delle tendenze di connettività 5G (inclusa la 5G satellitare) e IoT (Internet delle Cose) con soluzioni AI integrate, sia per soluzioni industriali che domestiche. È anche leader nelle soluzioni WiFi 6 e detiene una posizione di rilievo nel WiFi 7.
Fonte: Ruije
Come azienda di software e IP, CEVA è ben nota e spesso trascurata dagli investitori interessati ai settori IoT e 5G.
Può essere un’azienda interessante al limite più avanzato del progresso tecnologico nell’elaborazione dei dati e nell’Edge AI, come illustrato dalla scelta del CERN di collaborare con essa per alcune delle analisi di dati più complesse mai eseguite dall’umanità.
