מגה-פרויקטים
CERN: הבנת חלקיקים כדי לבנות את העולם המודרני
Securities.io מקפיד על סטנדרטים מחמירים של עריכה ועשוי לקבל פיצוי מקישורים שנבדקו. איננו יועצי השקעות רשומים וזה אינו ייעוץ השקעות. אנא עיינו באתר שלנו גילוי נאות.
CERN כשורש המדע המודרני
הארגון האירופי למחקר גרעיני, או CERN, היה אחד המתקנים החשובים בעולם לחקר חלקיקים תת-אטומיים ופיזיקה בסיסית.
זוהי עבודה חשובה, שכן פיזיקת הקוונטים ותורת היחסות היו המדעים הבסיסיים מאחורי רבים, אם לא רוב, החידושים הטכנולוגיים של העולמות המודרניים, כולל מחשבים, טלפונים סלולריים, לייזרים, תקשורת, לוויינים, MRI, פאנלים סולאריים, מיקרוסקופים מתקדמים, אנרגיה גרעינית וכו'.
הסיבה לכך היא שכל הטכנולוגיות הללו דורשות הבנה מעמיקה של התנהגותם של אטומים, אלקטרונים וחלקיקים אחרים בקנה מידה הקטן ביותר. וכל אלה כמעט אינטואיטיביים, והולכים הרבה מעבר למודל הפשוט של אלקטרונים המקיפים את גרעין האטום. לדוגמה, אפילו האטום הפשוט ביותר האפשרי, מימן, דורש משוואה מורכבת כדי לתאר כיצד האלקטרונים שלו מתנהגים באמת.
מקור: משרד האנרגיה
ה-CERN היה גם יוזמה מדעית גלובלית ובינלאומית באמת שממנה צמחו תגליות רבות אחרות, כולל האינטרנט עצמו.
לבסוף, הבנייה, ההפעלה והשדרוג של מתקני ה-CERN היו מניע מרכזי בהגברת המחקר וההנדסה בתחומים מדעיים מתקדמים רבים כמו מוליכים, חיישנים ולייזרים ומגנטים חזקים במיוחד.
מדע שאפתני מהיום הראשון
CERN נוסדה בשנת 1954 על ידי 12 מדינות באירופה, עם ראשי התיבות בשפה הצרפתית "קונסיל אירופין למען רצ'רצ'ה נוקלייר"נותנים לו את שמו.
מקור: ויקיפדיה
זה לא יהיה מוגזם לומר שחלק גדול מפיזיקה של החלקיקים המודרנית נולד ב-CERN, במיוחד:
- גילוי הבוזונים החלשים הנושאים את אחד מארבעת הכוחות הבסיסיים, זכה בפרס נובל לפיזיקה לשנת 4.
- היצירה הראשונה של אטומי אנטי מימן.
- גילוי של מצב חדש של חומר, פלזמה קווארק-גלואון.
- פרס נובל לפיזיקה לשנת 1992 לחוקר CERN על המצאתו ופיתוחו של גלאי חלקיקים.
- פרס נובל לפיזיקה לשנת 2013 לחוקרי CERN על תיאור ותצפית בבוזונים של היגס (האחראים לתת לחלקיקים את המסה שלהם).
מקור: CERN
כיום, ה-CERN מערב 25 מדינות כחברים מן המניין ו-10 חברים שותפים, וזהו הצעד הראשון לפני חברות מלאה פוטנציאלית. לאלה יש להוסיף גם את הקשר ההדוק עם 3 מדינות בעלות מעמד משקיף (יפן, רוסיה, ארה"ב) ושיתוף פעולה או קשר מדעי כמעט עם כל מדינה על פני כדור הארץ.
CERN מעסיקה ישירות 3,500 עובדים, הקבוצה הגדולה ביותר מורכבת ממדענים ומהנדסים, ואחריהם טכנאים, בעקבות ההובלה ותובנות קצת מתחת למאה פיזיקאים מחקריים.
מקור: CERN
CERN תשתיות
אף אחד מהישגי CERN לא היה אפשרי ללא ההנדסה ברמה עולמית שהושקעה בבניית מאיץ החלקיקים והגלאים שלו.
מאיצי חלקיקים פועלים על ידי הזזת חלקיקים בוואקום חזק, נקי מכל אוויר או אבק. אלקטרומגנטים חזקים ושדות חשמליים מאיצים את החלקיקים ושומרים אותם כלואים במאיץ. החלקיק המואץ, לפעמים ב-99.9% ממהירות האור (299 מטר לשנייה / 792 מייל לשנייה), פוגע בקרן חלקיקים אחרת או במטרה קבועה.
המהירות והאנרגיה הקיצוניות בהתנגשויות אלו מאפשרות למדענים להבין יותר על טבעם הבסיסי של חלקיקים אלו.
מקור: משרד האנרגיה
כיום, מאיץ החלקיקים העיקרי של CERN הוא LHC (Large Hadron Collider), הממוקם בז'נבה, שוויץ. ה-LHC היא מנהרה תת-קרקעית בעומק של עד 175 מטר (575 רגל), ויוצרת מעגל בהיקף של 27 ק"מ (17 מייל).
בעתיד, הוא עשוי להתגמד מול מאיץ גדול עוד יותר של 90-100 ק"מ שיעבור מתחת לאגם ז'נבה ובכל רחבי העיר (עוד על כך בהמשך).
מקור: סוויסטופו
כיום, על גבי ה-LHC ה"ראשי", ה-CERN מפעיל 11 מאיצי חלקיקים נוספים לצורכי מחקר ספציפיים על חלקיקים כבדים יותר, פרוטונים, פלזמה, מחקר של גרעינים לא יציבים וכו'. מאיצי חלקיקים אלה משלימים זה את זה, עם הרבה "הזנה" את החלקיקים הנדרשים לתוך האחרים במערכת מורכבת משתלבת.
מקור: CERN
למוסד יש גם לא פחות מ-11 מאיצי חלקיקים ונתקעים שנבנו מאז שנות ה-1950.
טכנולוגיית CERN
LHC
מיקומו העמוק של ה-LHC מתחת לאדמה נבע משילוב של סיבות מדעיות וכלכליות. זול יותר לחפור מנהרה מאשר לרכוש מעגל בקוטר 27 ק"מ של אדמה עילית, במיוחד באזור ז'נבה היקר. שכבות הסלעים גם מגנות על המתקן מפני קרינה קוסמית וקרינה עילית.
מקור: CERN
ה-LHC הוא מאיץ החלקיקים החזק ביותר שנבנה אי פעם. הוא צורך בממוצע 600 ג'יגה-וואט-שעה בשנה, כמחצית מצריכת האנרגיה הכוללת של CERN, העומדת על 1.3 טרה-וואט-שעה. לשם השוואה, צרפת כולה צורכת 500 טרה-וואט-שעה, האיחוד האירופי 3400 טרה-וואט-שעה, והעולם 20,000 טרה-וואט-שעה.
ה-LHC גורם ל-2 אלומות חלקיקים, שכל אחת מהן נעה קרוב למהירות האור, להתנגש זו בזו. הם מודרכים ומסוגרים על ידי 9593 אלקטרומגנטים מוליכים-על מקורר על ידי הליום נוזלי ב-271.3°C (-456.34°F).
רוב צריכת האנרגיה של הפעולה נובעת מהאלקטרומגנטים, הן להפעלתם והן ממרחב האנרגיה להפקת כמות מסיבית זו של הליום נוזלי.
מטרות LHC
ה-LHC ביצע את ההתנגשות הראשונה שלו בשנת 2008 והוא צפוי להימשך עד שנות ה-2040. לאחר ניסוי ראשון שכלל את גילוי בוזון היגס, הוא ממשיך בעבודות שדרוג ותחזוקה מסיביות כדי להתכונן לניסוי השני, שיגביר את רמות ההספק של ה-LHC ל-13 התנגשויות TeV (טרה אלקטרון-וולט).
לאחר גילוי בוזון היגס, ה-LHC צפוי לעזור לענות על שאלות בסיסיות על היקום, כולל התפקיד והטבע של מה שנקרא האנרגיה האפלה והחומר האפל.
רמות האנרגיה הקיצוניות שהושגו אמורות לתת לנו גם תובנות לגבי השלב המוקדם של היקום, במצב של "פלזמת קווארק-גלואון".
אטלס
השלמה מרכזית ל-LHS היא גלאי החלקיקים ATLAS. זהו גלאי החלקיקים הגדול ביותר שנבנה אי פעם, באורך 46 מטר (150 רגל) ובקוטר של 25 מטר (82 רגל).
הגלאים מכילים 100+ מיליון ערוצים אלקטרוניים רגישים כדי להקליט את החלקיקים שנוצרו מההתנגשויות.
הוא מכיל הרבה תת-גלאים, כל אחד ממלא תפקיד נפרד, כדי לזהות בו זמנית פוטונים, אלקטרונים, מיונים, פיונים וכו'.
מקור: אטלס
יותר מ-5900 פיזיקאים, מהנדסים, טכנאים, סטודנטים ומנהלים עבדו בבניית ותפעול ATLAS, המייצגים 180 מוסדות מדעיים מ-40+ מדינות.
CERN – Technologies Born
כל הקילומטרים האלה של מאיצי חלקיקים הניבו הרבה טכנולוגיה שימושית לאנושות לאורך זמן.
המצאת האינטרנט
אולי הטכנולוגיה המשפיעה ביותר שיצאה אי פעם מ-CERN הייתה האינטרנט; בֶּאֱמֶת.
CERN יצרה את פרוטוקול TCP/IP עבור הרשת הפנימית שלה, ו הרעיון של ה-World Wide Web הומצא ב-CERN על ידי טים ברנרס-לי, מי עשה את אתר ראשון מאוד (כנסו לקישור כדי לראות איך זה נראה).
זה נחשב בתחילה כדרך לחוקרים להחליף נתונים ורעיונות ביתר קלות.
מקור: CERN
בשנת 1993, CERN הציעה לעולם את תוכנת ה-World Wide Web כקניין רוחני ברשות הציבור. זה יהיה גם חלוץ בתחום מחשוב הרשת, תהליך של ביצוע חישוב באמצעות מחשבים מרובים המחוברים באמצעות האינטרנט.
אז אולי באופן פרדוקסלי, אחת התרומות הגדולות ביותר של CERN, ארגון מחקרי מאיצי חלקיקים, הייתה להגביר את ההחלפה החופשית של כל הידע, הנתונים והתוכנה, במקום ניסוי בפיזיקה קוונטית.
יישומים רפואיים
יישום אחד של מחקר CERN הוא הבנה מעמיקה יותר של מאיצי חלקיקים. מאיצים קטנים יותר נמצאים כיום בשימוש שגרתי בבתי חולים לטיפולי רדיותרפיה בטיפולי סרטן. מחקר מתמשך הפך אותם ליעילים, קטנים וזולים יותר ויותר עם הזמן.
תרומה נוספת לטיפול בסרטן היא בתחום הרפואה הגרעינית, או שימוש באיזוטופים נדירים להרוג תאים סרטניים.
חלק מהרדיואיזוטופים הללו מיוצרים באופן ייחודי ב-CERN.
הדמיה רפואית היא תחום נוסף שבו יש חשיבות מכרעת בפיזיקה של החלקיקים, מצילומי רנטגן ועד MRI, סריקות PET וטומוגרפיה ממוחשבת (CT).
מספר שיפורים בהקרנות בהדרון, כמו גם בדימוי רפואיg, הגיע ישירות מהחיישנים שפותחו עבור גלאי החלקיקים ATLAS.
במהלך מגיפת Covid, CERN פיתחה כלי קוד פתוח (COVID Airborne Risk Assessment Tool - CARA) למודל של ריכוז וירוסים בחללים סגורים עם פרמטרים משתנים, כגון גודל החדר, זמן שהייה בחדר, חבישת מסכה, מספר אנשים , ואוורור.
אנרגיה וטכנולוגיה ירוקה
CERN משתפת פעולה עם איירבוס על ידי הבאת המומחיות שלה לכבלים מוליכי-על עבור מטוסים קלים יותר, או אפילו מטוסים חשמליים.
הניסיון של המוסד בבדיקת חומרים בטמפרטורות נמוכות במיוחד שימושי גם לבדיקת הפוטנציאל של מימן בתעבורה במטוסים.
CERN גם משתפת פעולה באופן הדוק עם ITER, פרויקט ההיתוך הגרעיני הגדול בעולם, שיכול להציע אספקה בלתי מוגבלת של אנרגיה נקייה אם יצליחבהתחשב בכך שהיתוך גרעיני מסתמך בעיקר על מגנטים וחומרים מוליכי-על רבי עוצמה, החפיפה עם המומחיות של CERN ברורה.
עיבוד נתונים
כאשר מתגלים חלקיקים, שטף הנתונים שנוצר במיקרו-שניות הוא עצום. בעייתי יותר, 40 טרה-בייט אלו לשנייה לא ניתן לאחסן לעיבוד מאוחר יותר.
זה הוביל את מדעני ה-CERN להפוך למומחים בתכנון אלגוריתמים המסוגלים להחליט אילו מהנתונים הם הנתונים המעניינים ביותר ברגע זה.
CERN משתפת פעולה עם חברות כמו סיוה (חיישנים) או ABB מוטורס להשתמש באלגוריתמים כאלה כדי לייעל את צריכת האנרגיה של מתקני וציוד של CERN בפיתוח.
זה משמש גם את חברת בטיחות הרכב Zenseact לפתח מערכות נהיגה אוטונומיות עם אחזור נמוך.
אותם עקרונות נפרסים על רחפנים ומערכות רובוטיקה בכלל, בעיקר עם החברה Terabee.
אווירי
ל-CERN ניסיון רב שנים בהתמודדות עם צורות קרינה אינטנסיביות ולעיתים אקזוטיות המיוצרות על ידי הציוד והניסויים שלה.
ניתן למנף זאת ביישומים מעשיים למיגון קרינה של לוויינים וניסויים מאוישים בחלל, לעתים קרובות בשיתוף פעולה עם סוכנות החלל האירופית (ESA).
לדוגמה, ל-CERN יש את המתקן היחיד על פני כדור הארץ המסוגל לשכפל את הסביבה הקרינה הקשה של צדק.
יישומים אחרים
הדרישות של CERN שכל גלאי החלקיקים והמערכות שלה יהיו מסונכרנים בצורה מושלמת עד לננו-שנייה הפכו אותה למומחית גם בתחום זה.
ניתן להשתמש בתקני הקוד הפתוח "סנכרון זמן מבית CERN" בטלקום, בשווקים פיננסיים וברשתות קוונטיות. למשל, ספק מסחר דויטשה בורסה משתמשת בו בתשתית מערכת המסחר שלהם.
חינוך
CERN פועלת גם כמשאב חינוכי למדעים ופיזיקה מתקדמים.
זה כולל מתן חינם דגם הניתן להדפסה בתלת מימד של הציוד שלו, קריקטורות הסבר וחוברות קומיקס, וחומרים לכיתה למורים.
במקביל, היא מספקת בחינם מסגרת ספרייה דיגיטלית משלה גמישה, בעלת ביצועים גבוהים, בקוד פתוח, המשמשת היום ספריות, אוניברסיטאות ומוסדות גלובליים.
המסירות של CERN לשיתוף ידע מתבטאת גם בספין-אוף שלה אורוויום, תשתית הוצאה לאור לפרסומים מדעיים בקוד פתוח ובמבוזר.
לבסוף, CERN מספק סיורים חינוכיים במתקנים, מוזיאון מקומי ותערוכות אמנות.
CERN תשתיות והישגים עתידיים
LHC בהירות גבוהה (HL-LHC)
בעוד החוקרים והטכנאים של CERN עובדים קשה כדי להפיק כמה שיותר מההתקנות הנוכחיות, הם צופים במקביל לצעדים הבאים.
הראשון יהיה ה "High Luminosity LHC", או HL-LHC, שדרוג המתכוון להגביר את עוצמת הבהירות של ה-LHC פי 10. לדוגמה, ה-LHC High-Luminosity ייצר לפחות 15 מיליון בוזונים של Higgs בשנה, לעומת כשלושה מיליון מה-LHC ב-2017.
מקור: CERN
השדרוג יכלול שיפורים במגנטים, קישורי מוליכים, הגנה מחוזקת ומאיצים טובים יותר.
HL-LHC אמורה להיות מבצעית באמצע שנות ה-2030, מכיוון שעבודות ההנדסה האזרחית החלו באפריל 2018, וכן קיבלה את המגנטים הראשונים שלה בדצמבר 2024.
Future Circular Collider (FCC)
אחרי ה-LHC, עיצוב ענק של 90 ק"מ צפוי להיות השלב הבא של מאיצי חלקיקים, הנקראים ה-Future Circular Collider (FFC). הוא ייבנה בעומק ממוצע של 200 מטר (656 רגל).
הניסויים הראשונים יימשכו במשך 15 שנים, החל מאמצע שנות ה-2040 עם ה-FCC-ee, מתנגש אלקטרונים-פוזיטרון. צריכת החשמל של FCC-ee צפויה לנוע בין 1 ל-1.8 TWh/שנה.
מכונה שנייה, ה-FCC-hh, מתנגש פרוטונים-פרוטונים, תותקן באותה מנהרה ותתחיל בשנות ה-2070 של המאה ה-25 ותפעל במשך יותר מ-XNUMX שנה.
הפרויקט כולו צפוי לעלות בסביבות CHF15B, בפריסה על פני 15 שנים. השלמתו הסופית של בדיקת ההיתכנות צפויה לשנת 2025, עם החלטה סופית של ועדת CERN עד 2027-2028 והבנייה תתחיל בשנות ה-2030.
ה-FCC יכול לחקור חלקיקים שנחזו על ידי תיאוריות מעבר המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, מה שידרוש או גלאים רגישים יותר או תאוצה חזקה יותר.
הבנה מעמיקה יותר זו של הפיזיקה תהיה כנראה חיונית לשיפור הביצועים של מחשבים ופתיחת אפשרויות חדשות למדעי החומר. ועל ידי כך, מאפשר לאנושות להפוך לציוויליזציה מתקדמת באמת המסוגלת לנווט בכוכבים, ליצור בינה מלאכותית אמיתית, או ליהנות מאנרגיה בשפע בלתי מוגבל.
חברה קשורה ל-CERN
סיוה
(CEVA )
CEVA היא חברת חיישנים ושותפה עם CERN לשימוש באלגוריתם המוסד כדי לשפר את יעילות החיישנים וצריכת החשמל שלהם. פתרונות CEVA ו-IP (200 פטנטים) משולבים ב-18 מיליארד מכשירים.
פתרונות החברה משמשים רבים מהמותגים האלקטרוניים המובילים בכל רחבי העולם.
מקור: סיוה
היישום העיקרי של שיתוף הפעולה בין CEVA וה-CERN הוא "Edge AI", או יישומי בינה מלאכותית הפרוסים במכשירים הרחק ממרכזי הנתונים (הענן) וקרובים יותר לצרכנים (הקצה).
זה אולי לא מפתיע לראות באלגוריתמים של פיזיקת חלקיקים נעשה שימוש חוזר ביישומי בינה מלאכותית, שכן רשתות עצביות שימשו, למשל, במציאת חלקיק הבוזון של היגס. ניתוח נתוני מאיץ החלקיקים צריך להיעשות באתר במקום בענן, בשל נפח הנתונים העצום המופק מהר מאוד.
Ceva עזרה ל-CERN ליצור אלגוריתמי דחיסה חדשים שניתן להשתמש בהם בניסויים עתידיים ויוכלו לשלב את הטכנולוגיה החדשה הזו במוצרים שלה.
"בזכות שיתוף הפעולה שלנו עם CERN הצלחנו לפתח גישה חדשנית המאפשרת לרשתות לפעול עד פי 15 מהר יותר בהשוואה למודלים בסיסיים של 16 סיביות.
זה משפר את מהירות הרשת ומפחית את צריכת האנרגיה בעד 90% תוך שמירה על דיוק דומה."
זוהי רק אחת מההתקדמות הטכנולוגית של CEVA, כאשר החברה פעילה בתחומי קישוריות אלחוטית, חיישנים (ראייה, אודיו, תנועה) ואלגוריתמים של רשתות עצביות.
מקור: סיוה
CEVA מרוויחה רבות מהמגמה המשולבת של קישוריות 5G (כולל לוויין 5G) ו-IoT (Internet of Things) עם פתרונות AI משובצים, הן לפתרונות תעשייתיים והן לפתרונות ביתיים. היא גם מובילה בפתרונות WiFi 6 ויש לה עמדה מובילה ב-WiFi 7.
מקור: Ruije
כחברת תוכנה ו-IP, CEVA ידועה ולעתים קרובות מתגעגעת למשקיעים המתעניינים במגזרי IoT ו-5G.
זוהי יכולה להיות חברה מעניינת ממש בקצה ההתקדמות הטכנולוגית בעיבוד נתונים ובינה מלאכותית, כפי שמודגם על ידי בחירתה של CERN כדי לסייע בכמה מניתוחי הנתונים המורכבים ביותר שבוצעו אי פעם על ידי האנושות.
