Megaprogetti
CERN: Comprendere le Particelle per Costruire il Mondo Moderno
CERN Come 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, MRI, pannelli solari, microscopi avanzati, energia nucleare, ecc.
Ciò è dovuto al fatto che tutte queste tecnologie richiedono una profonda comprensione del comportamento degli atomi, degli elettroni e delle altre particelle alla scala più piccola. E queste sono tutte, ma intuitive, che vanno ben oltre il modello semplificato degli elettroni che orbitano intorno al nucleo dell’atomo. Ad esempio, anche l’atomo più semplice, l’idrogeno, richiede un’equazione complessa per descrivere come i suoi elettroni si comportano veramente.
Source: Department of Energy
Il CERN è anche stato un’iniziativa scientifica veramente globale e internazionale, da cui sono nate molte altre scoperte, compresa Internet stessa.
Infine, la costruzione, l’esercizio e l’aggiornamento delle strutture del CERN sono stati un importante motore per aumentare la ricerca e l’ingegneria in molti campi scientifici avanzati come superconduttori, sensori e 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.
Source: Wikipedia
Non sarebbe un’esagerazione dire che una grande parte della fisica delle particelle moderne è nata al CERN, in particolare:
- La scoperta dei bosoni deboli che trasportano una delle 4 forze fondamentali, è stata premiata con il Premio Nobel per la Fisica del 1984.
- La prima creazione di atomi di antidrogeno.
- La scoperta di un nuovo stato della materia, il plasma di quark-gluoni.
- Premio Nobel per la Fisica del 1992 a un ricercatore del CERN per l’invenzione e lo sviluppo di rilevatori di particelle.
- Premio Nobel per la Fisica del 2013 ai ricercatori del CERN per la descrizione e l’osservazione dei bosoni di Higgs (responsabili di dare massa alle particelle).
Source: CERN
Oggi, il CERN coinvolge 25 paesi come membri a pieno titolo e 10 membri associati, che è il primo passo prima della possibile piena adesione. A questi si devono aggiungere le strette relazioni con 3 paesi con lo status di osservatore (Giappone, Russia, USA) e collaborazioni o contatti scientifici con quasi ogni paese della Terra.
Il CERN impiega direttamente 3.500 persone, il gruppo più grande è composto da scienziati e ingegneri, seguito da tecnici, seguendo il lead e gli insight a poco meno di un centinaio di fisici ricercatori.
Source: CERN
Infrastrutture del CERN
Nessuno dei risultati del CERN sarebbe stato possibile senza l’ingegneria di classe mondiale che è stata utilizzata per costruire il suo acceleratore di particelle e rilevatori.
Gli acceleratori di particelle funzionano spostando le particelle in un forte vuoto, libero da qualsiasi 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’altra particella o un bersaglio fisso.
La velocità estrema e l’energia in queste collisioni consentono ai ricercatori di capire meglio la natura fondamentale di queste particelle.
Source: Department of Energy
Oggi, l’acceleratore di particelle principale del CERN è il LHC (Large Hadron Collider), situato a Ginevra, in Svizzera. Il LHC è un tunnel sotterraneo profondo 175 metri (575 piedi), che forma un cerchio di 27 chilometri (17 miglia) di circonferenza.
In futuro, potrebbe essere superato da un acceleratore ancora più grande da 90-100 km che passerà sotto il lago di Ginevra e tutta la città (di più su questo sotto).
Source: Swisstopo
Oggi, oltre al “principale” LHC, il CERN opera 11 altri acceleratori di particelle per esigenze di ricerca specifiche su particelle più pesanti, protoni, plasma, studio di nuclei instabili, ecc. Questi acceleratori di particelle spesso si complementano a vicenda, con molti “alimentatori” delle particelle necessarie negli altri in un sistema interbloccato complesso.
Source: CERN
L’istituzione ha anche non meno di 11 acceleratori di particelle e collisori dismessi costruiti dal 1950.
Tecnologie del CERN
LHC
La posizione sotterranea del LHC è il risultato di una combinazione di motivi scientifici e finanziari. È più economico scavare un tunnel che acquisire un cerchio di 27 km di diametro di terra sulla superficie, specialmente nella costosa regione di Ginevra. Gli strati di roccia proteggono anche la struttura dalle radiazioni cosmiche e di superficie.
Source: CERN
Il LHC è l’acceleratore di particelle più potente mai costruito. Consuma, in media, 600 GWH all’anno, circa la metà del consumo totale di energia del CERN di 1,3 TWh. Per mettere le cose in prospettiva, l’intera Francia consuma 500 TWh, l’UE 3400 TWh e il mondo 20.000 TWh.
Il LHC crea 2 fasci di particelle, ciascuno viaggia vicino alla velocità della luce, che collidono l’uno con l’altro. Sono guidati e confinati da 9593 elettromagneti superconduttori raffreddati con elio liquido a -271,3°C (-456,34°F).
La maggior parte del consumo di energia dell’operazione è dovuta agli elettromagneti, sia per operarli che per l’energia necessaria per produrre questa grande quantità di elio liquido.
Obiettivi del LHC
Il LHC ha eseguito la sua prima collisione nel 2008 e dovrebbe funzionare fino agli anni ’40. Dopo un primo ciclo di esperimenti, tra cui la scoperta del bosone di Higgs, è in corso un massiccio lavoro di aggiornamento e manutenzione per prepararsi per il secondo ciclo, che aumenterà i livelli di potenza del LHC a 13 TeV (tera elettronvolt) di collisioni.
Dopo la scoperta del bosone di Higgs, il LHC dovrebbe aiutare a rispondere a domande fondamentali sull’Universo, tra cui il ruolo e la natura dell’energia oscura e della materia oscura.
I livelli di energia estremi raggiunti dovrebbero anche darci insight sugli stadi iniziali dell’Universo, in uno stato di “plasma di quark-gluoni”.
ATLAS
Un complemento chiave del LHS è il rilevatore di particelle ATLAS. È il rilevatore di particelle più grande mai costruito, lungo 46 metri (150 piedi) e con un diametro di 25 metri (82 piedi).
I rilevatori contengono oltre 100 milioni di canali elettronici sensibili per registrare le particelle prodotte dalle collisioni.
Contiene molti sottorilevatori, ciascuno con un ruolo separato, per rilevare allo stesso tempo fotoni, elettroni, muoni, pioni, ecc.
Source: ATLAS
5900+ fisici, ingegneri, tecnici, studenti e amministratori hanno lavorato alla costruzione e all’esercizio di ATLAS, rappresentando 180 istituzioni scientifiche di 40+ paesi.
CERN – Tecnologie Nate
Tutti questi chilometri di acceleratori di particelle hanno prodotto molte tecnologie utili all’umanità nel corso del tempo.
L’invenzione di Internet
Forse la tecnologia più impattante mai uscita dal CERN è stata Internet; veramente.
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 creato il primo sito web (segui il link per vedere come appariva).
Inizialmente era pensato come un modo per i ricercatori di scambiare dati e idee più facilmente.
Source: CERN
Nel 1993, il CERN ha offerto il software World Wide Web al mondo come proprietà intellettuale di dominio pubblico. Sarebbe anche stato un pioniere nel calcolo a griglia, il processo di esecuzione di un calcolo attraverso più computer connessi al web.
Quindi, forse paradossalmente, uno dei più grandi contributi del CERN, un’organizzazione di ricerca di acceleratori di particelle, è stato quello di aumentare la libera circolazione di tutte le conoscenze, dati e software, invece di un esperimento di fisica quantistica.
Applicazioni mediche
Un’applicazione della ricerca del CERN è una comprensione più profonda degli acceleratori di particelle. Gli acceleratori di particelle di dimensioni più piccole sono ora utilizzati regolarmente negli ospedali per la radioterapia nel trattamento del cancro.
La ricerca continua ha reso questi acceleratori sempre più efficienti, più piccoli e meno costosi nel corso del tempo.
Un ulteriore contributo alla terapia contro il cancro è nel campo della medicina nucleare, o utilizzo di isotopi rari per uccidere le cellule del cancro.
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 cruciale, dalle radiografie alla risonanza magnetica, alle tomografie a emissione di positroni e alla tomografia computazionale (CT).
Molti miglioramenti nella radioterapia adronica, nonché nell’imaging medico sono derivati direttamente dai sensori sviluppati per il rilevatore 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 del virus in spazi chiusi con parametri variabili, come la dimensione della stanza, il tempo trascorso nella stanza, l’uso di maschere, il numero di persone e la ventilazione.
Energia e tecnologia verde
Il CERN ha collaborato con Airbus portando la sua esperienza a cavi superconduttori per potenziali aerei più leggeri, o addirittura aerei elettrici.
L’esperienza dell’istituzione nel testare materiali a temperature estremamente basse è anche utile per testare il potenziale dell’idrogeno nel trasporto aereo.
Il CERN sta anche collaborando strettamente con ITER, il più grande progetto di fusione nucleare del mondo, che potrebbe offrire un’offerta illimitata di energia pulita se ha successo. Considerando che la fusione nucleare si basa principalmente su magneti ultra-potenti e materiali superconduttori, l’overlap con l’esperienza del CERN è ovvio.
Elaborazione dei dati
Quando le particelle vengono rilevate, il flusso di dati generato in microsecondi è enorme. Più problematico, questi 40 terabyte al secondo non possono essere archiviati per un’elaborazione successiva.
Ciò ha portato i ricercatori del CERN a diventare esperti nel progettare algoritmi in grado di decidere quali dati sono più interessanti sui dati in tempo reale.
Il CERN sta collaborando con aziende come CEVA (sensori) o ABB Motors per utilizzare tali algoritmi per ottimizzare il consumo di energia delle strutture e dell’attrezzatura del CERN in fase di sviluppo.
Ciò è anche utilizzato dalla società di sicurezza automobilistica Zenseact per sviluppare sistemi di guida autonoma a bassa latenza.
Gli stessi principi sono stati impiegati in droni e sistemi di robotica in generale, in particolare con l’azienda Terabee.
Aerospaziale
Il CERN ha una lunga esperienza nel trattare radiazioni intense e talvolta esotiche prodotte dalle sue attrezzature e esperimenti.
Ciò può essere sfruttato in applicazioni pratiche per la schermatura contro le radiazioni di satelliti e esperimenti spaziali con equipaggio, spesso in collaborazione con l’Agenzia Spaziale Europea (ESA).
Ad esempio, il CERN ha l’unica installazione sulla Terra in grado di replicare l’ambiente radiativo estremamente ostile di Giove.
Altre applicazioni
Le esigenze del CERN di avere tutti i suoi rilevatori di particelle e sistemi in perfetta sincronizzazione fino al nanosecondo lo hanno reso un esperto in questo campo.
Gli standard di sincronizzazione dell’orologio “nati al CERN” possono essere utilizzati in telecom, mercati finanziari e reti quantistiche. Ad esempio, il fornitore di trading Deutsche Börse sta utilizzando la sua infrastruttura di trading.
Istruzione
Il CERN sta anche agendo come risorsa educativa per scienze e fisica avanzate.
Ciò include la fornitura gratuita di un modello 3D stampabile del suo equipaggiamento, cartoni animati e libri a fumetti, e materiali per le classi per gli insegnanti.
In parallelo, fornisce gratuitamente la sua libreria digitale flessibile e ad alte prestazioni open-source, oggi utilizzata da biblioteche, università e istituzioni globali.
L’impegno del CERN per la condivisione delle conoscenze si manifesta anche nel suo spin-off Orvium, un’infrastruttura di pubblicazione per pubblicazioni scientifiche open-source e decentralizzate.
Infine, il CERN fornisce tour educativi delle strutture, un museo locale e mostre d’arte.
Infrastrutture e risultati futuri del CERN
Alto Luminosità LHC (HL–LHC)
Mentre i ricercatori e i tecnici del CERN stanno lavorando sodo per ottenere il massimo dalle attuali strutture, stanno anche guardando ai prossimi passi.
Il primo sarà l'”Alto Luminosità LHC”, o HL–LHC, un aggiornamento che intende aumentare la luminosità del LHC di 10 volte. Ad esempio, l’Alto Luminosità LHC produrrà almeno 15 milioni di bosoni di Higgs all’anno, rispetto ai 3 milioni del LHC nel 2017.
Source: CERN
L’aggiornamento includerà miglioramenti nei magneti, collegamenti superconduttori, protezione rinforzata e migliori acceleratori.
HL–LHC dovrebbe essere operativo nella metà degli anni ’30, poiché i lavori di ingegneria civile sono iniziati ad aprile 2018 e ha ricevuto i suoi primi magneti a dicembre 2024.
Ciclotrone Circolare Futuro (FCC)
Dopo il LHC, un progetto gigantesco da 90 km è atteso come il prossimo passo degli acceleratori di particelle, chiamato Ciclotrone Circolare Futuro (FFC). Sarà costruito a una profondità media di 200 metri (656 piedi).
I primi esperimenti andranno avanti per 15 anni, a partire dalla metà degli anni ’40 con il FCC-ee, un collisore elettrone-positrone. Il consumo di energia del FCC-ee varierà tra 1 e 1,8 TWh/anno.
Una seconda macchina, il FCC-hh, un collisore protone-protone, sarà installata nello stesso tunnel e inizierà negli anni ’70 e funzionerà per più di 25 anni.
Il progetto intero è atteso costare intorno a 15 miliardi di CHF, spread su 15 anni. La fine dello studio di fattibilità è attesa per il 2025, con una decisione finale del comitato del CERN per il 2027-2028 e la costruzione iniziata negli anni ’30.
Il FCC potrebbe indagare le particelle previste da teorie che vanno oltre il modello standard della fisica delle particelle, che richiederebbero rilevatori più sensibili o un’accelerazione più potente.
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, consentire all’umanità di diventare una civiltà avanzata in grado di navigare le stelle, creare una vera intelligenza artificiale o godere di energia abbondante illimitata.
Azienda correlata al CERN
CEVA
(CEVA )
CEVA è un’azienda di sensori e partner del CERN per utilizzare l’algoritmo dell’istituzione per migliorare l’efficienza e il consumo di energia dei suoi sensori. Le soluzioni e le proprietà intellettuali di CEVA (200 brevetti) sono integrate in 18 miliardi di dispositivi.
Le soluzioni dell’azienda sono utilizzate da molti dei principali marchi elettronici di tutto il mondo.
Source: CEVA
L’applicazione principale della collaborazione tra CEVA e il CERN è “Edge AI”, o applicazioni di intelligenza artificiale distribuite su dispositivi lontani dai data center (il cloud) e più vicini ai consumatori (il bordo).
Non sorprende vedere algoritmi di fisica delle particelle riutilizzati in applicazioni di intelligenza artificiale, poiché le reti neurali sono state utilizzate, ad esempio, per trovare la particella di Higgs. L’analisi dei dati dell’acceleratore di particelle deve essere eseguita sul posto e non nel cloud, a causa del volume enorme di dati prodotti molto rapidamente.
Ceva ha aiutato il CERN a creare nuovi algoritmi di compressione che possono essere utilizzati in esperimenti futuri 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 veloci rispetto ai modelli di base a 16 bit.
Ciò migliora la velocità della rete e riduce il consumo di energia fino al 90% mantenendo un’accuratezza paragonabile.”
Ciò è solo uno dei progressi tecnologici di CEVA, con l’azienda attiva in connettività wireless, sensori (visione, audio, movimento) e algoritmi di reti neurali.
Source: CEVA
CEVA trae grandi benefici dalla tendenza combinata di connettività 5G (compresa la connettività satellitare 5G) e IoT (Internet delle Cose) con soluzioni di intelligenza artificiale integrate. È anche un leader nelle soluzioni WiFi 6 e ha una posizione di leadership in WiFi 7.
Source: Ruijie
In quanto azienda di software e proprietà intellettuale, CEVA è ben nota e viene spesso trascurata dagli investitori interessati ai settori IoT e 5G.
Potrebbe essere un’azienda interessante all’avanguardia del progresso tecnologico nell’elaborazione dei dati e nell’intelligenza artificiale edge, come illustrato dalla scelta del CERN di aiutarla a migliorare l’analisi dei dati più complessi mai eseguiti dall’umanità.
