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CERN：粒子を理解し、現代世界を構築する
CERNは現代科学の根源
The European Organization for Nuclear Research、またはCERNは、亜原子粒子と基礎物理学の研究において世界で最も重要な施設の一つです。
これは重要な仕事です。量子物理学と相対性理論は、現代世界の多く、あるいはほとんどすべての技術革新の根底にある科学であり、コンピュータ、携帯電話、レーザー、通信衛星、MRI、太陽光パネル、先進顕微鏡、原子力エネルギーなどが含まれます。
これらの技術はすべて、原子や電子、その他の粒子が最小スケールでどのように振る舞うかを深く理解することが必要です。そしてそれらは直感的ではなく、電子が原子核を周回するという単純化されたモデルをはるかに超えています。たとえば、最も単純な原子である水素さえ、電子の真の振る舞いを記述するためには複雑な方程式が必要です。
Source: Department of Energy
CERNはまた、インターネットそのものを含む多くの発見が生まれた、真にグローバルで国際的な科学イニシアチブでもあります。
最後に、CERN施設の建設、運用、アップグレードは、超伝導体、センサー、超強力レーザーや磁石など、数多くの先端科学分野における研究と工学の大きな推進力となっています。
創設当初からの野心的な科学
CERNは1954年に12か国の欧州諸国によって設立され、フランス語の頭字語「Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire」がその名称の由来です。
Source: Wikipedia
現代粒子物理学の大部分がCERNで誕生したと言っても過言ではありません、特に以下の成果が挙げられます:
- 4つの基本的な力のうちの1つを運ぶ弱いボソンの発見は、1984年のノーベル物理学賞を受賞しました。
- 反水素原子の初めての生成。
- 新しい物質状態、クォーク・グルオン・プラズマの発見。
- 粒子検出器の発明と開発に対し、1992年にCERNの研究者がノーベル物理学賞を受賞。
- ヒッグスボソン（粒子に質量を与える）の記述と観測に対し、2013年にCERNの研究者がノーベル物理学賞を受賞。
Source: CERN
現在、CERNには25か国が正会員として、10か国が准会員として参加しており、これは将来的な正会員になるための第一段階です。さらに、観測者ステータスを持つ日本、ロシア、米国の3か国との緊密な関係や、事実上全ての国との協力・科学的コンタクトがあります。
CERNは直接3,500人を雇用しており、最大のグループは科学者とエンジニアで、次いで技術者、そして約100名に満たない研究物理学者が続きます。
Source: CERN
CERNインフラストラクチャー
CERNの成果は、粒子加速器と検出器を構築するために投入された世界クラスのエンジニアリングがなければ実現できませんでした。
粒子加速器は、空気や塵のない強真空中で粒子を移動させて動作します。強力な電磁石と電場が粒子を加速し、加速器内に閉じ込めます。加速された粒子は、時に光速の99.9%（299 792 458 m/s、186 000 mi/s）に達し、別の粒子ビームまたは固定ターゲットに衝突します。
このような極端な速度とエネルギーの衝突により、科学者は粒子の根本的な性質についてより深く理解できるようになります。
Source: Department of Energy
現在、CERNの主な粒子加速器はLHC（Large Hadron Collider）で、スイス・ジュネーブに位置しています。LHCは地下トンネルで、最大175メートル（575フィート）の深さがあり、全長27キロメートル（17マイル）の円形を形成しています。
将来的には、ジュネーブ湖の下と市街地全体を貫く90〜100kmのさらに大規模な加速器が登場する可能性があります（以下で詳述）。
Source: Swisstopo
現在、”メイン” LHC の上に、CERNは重い粒子、陽子、プラズマ、不安定核の研究など、特定の研究ニーズに対応する11の他の粒子加速器を運用しています。これらの加速器は相互に補完し合い、多くが他の装置に必要な粒子を供給する複雑な相互接続システムを構成しています。
Source: CERN
この機関は、1950年代以降に建設された11の廃止された粒子加速器とコライダーも保有しています。
CERNテクノロジー
LHC
LHCが深く地下に設置されたのは、科学的・財政的理由が混在しています。27kmの円形の表面土地を取得するよりもトンネルを掘る方が安価です。特にジュネーブ地域は土地価格が高いためです。また、岩層が宇宙線や表面放射線から施設を遮蔽します。
Source: CERN
LHCは史上最も強力な粒子加速器です。年間平均で600 GWhを消費し、CERN全体のエネルギー消費（1.3 TWh）の約半分を占めます。比較すると、フランス全体が500 TWh、EUが3 400 TWh、世界全体が20 000 TWhを消費しています。
LHCは2本の粒子ビームを作り出し、光速に近い速度で互いに衝突させます。これらは9 593本の超伝導電磁石により誘導・閉じ込められ、液体ヘリウム（-271.3°C、-456.34°F）で冷却されています。
LHCの運用エネルギー消費の大部分は、電磁石の駆動と大量の液体ヘリウムを生成するためのエネルギーに起因します。
LHCの目標
LHCは2008年に最初の衝突を行い、2040年代まで稼働が見込まれています。初回のランでヒッグスボソンが発見された後、現在は大規模なアップグレードと保守作業が進行中で、次のランでは衝突エネルギーを13 TeVに引き上げる予定です。
ヒッグスボソンの発見後、LHCは暗黒エネルギーや暗黒物質と呼ばれる宇宙の根本的な謎に答える手がかりを提供することが期待されています。
極めて高いエネルギーレベルは、”クォーク・グルオン・プラズマ”という初期宇宙の状態への洞察ももたらすでしょう。
ATLAS
LHCの重要な補完装置としてATLAS粒子検出器があります。これは史上最大の粒子検出器で、長さ46メートル（150フィート）、直径25メートル（82フィート）です。
検出器は1億以上の感度の高い電子チャンネルを備え、衝突で生成された粒子を記録します。
多数のサブ検出器がそれぞれ異なる役割を担い、同時に光子、電子、ミューオン、パイオンなどを検出します。
Source: ATLAS
5900人以上の物理学者、エンジニア、技術者、学生、管理者がATLASの構築と運用に携わっており、180以上の研究機関（40か国以上）から参加しています。
CERN – 生まれたテクノロジー
これら何キロメートルにも及ぶ粒子加速器は、長年にわたり人類に多くの有用技術をもたらしてきました。
インターネットの発明
おそらくCERNから生まれた最も影響力の大きい技術はインターネットです。本当に。
CERNは自前の内部ネットワーク用にTCP/IPプロトコルを開発し、World Wide Web（WWW）の概念はティム・バーナーズ＝リーによってCERNで発明されました。彼は最初のウェブサイト（リンクをたどって当時の姿をご覧ください）を作成しました。
当初は研究者がデータやアイデアをより容易に交換する手段として考案されました。
Source: CERN
1993年、CERNはWorld Wide Webソフトウェアをパブリックドメインの知的財産として世界に提供しました。また、グリッドコンピューティング（ウェブで接続された複数のコンピュータで計算を行う手法）の先駆者でもあります。
したがって、パーティクル加速器研究機関であるCERNの最大の貢献の一つは、量子物理実験ではなく、知識・データ・ソフトウェアの自由な交換を促進したことです。
医療への応用
CERNの研究の一つの応用は、粒子加速器の深い理解です。小型の加速器は現在、がん治療の放射線療法に病院で日常的に使用されています。継続的な研究により、これらはますます効率的に、より小型に、そして安価になっています。
がん治療へのもう一つの貢献は、核医学、すなわち希少同位体を用いてがん細胞を殺す分野です。
2017年以降、CERN-MEDICISインフラは医療用途向けに革新的な放射性同位体を製造し、医師や研究者に提供して高度な治療や画像診断に適合性を評価できるようにしています。
これらの放射性同位体はCERNでしか製造できないものもあります。
医療画像診断は、X線、MRI、PETスキャン、CT（コンピュータ断層撮影）など、粒子物理学が不可欠な分野です。
ATLAS粒子検出器用に開発されたセンサーは、ハドロン放射線療法や医療画像診断のいくつかの改善に直接結びつきました。
COVID-19パンデミックの間、CERNはオープンソースツール（COVID Airborne Risk Assessment tool – CARA）を開発し、部屋のサイズ、滞在時間、マスク着用、人数、換気状況などのパラメータを変えて閉鎖空間内のウイルス濃度をモデル化しました。
エネルギー＆グリーンテクノロジー
CERNはエアバスと協力し、軽量化が期待できる超伝導ケーブルを航空機に応用する研究や、電動航空機の開発に取り組んでいます。
極低温での材料試験に関するCERNの経験は、航空機輸送における水素利用の可能性を評価する際にも有用です。
CERNはまた、世界最大規模の核融合プロジェクトであるITERと緊密に協力しており、成功すれば無限のクリーンエネルギー供給が可能になると期待されています。核融合は超強力磁石と超伝導材料に大きく依存するため、CERNの専門知識との相乗効果は明らかです。
データ処理
粒子が検出されると、マイクロ秒単位で生成されるデータ量は膨大です。さらに問題なのは、1秒あたり40テラバイトというデータは後で保存・処理できないことです。
このため、CERNの科学者はリアルタイムで「最も興味深い」データを選別するアルゴリズム設計のエキスパートとなっています。
CERNはCEVA（センサー）やABB Motorsと協力し、これらのアルゴリズムを用いてCERN施設や開発中の機器のエネルギー消費を最適化しています。
この技術は自動車安全企業Zenseactにも採用され、低遅延の自律走行システムの開発に活用されています。
同様の原理はドローンやロボティクス全般にも展開されており、特にTerabeeとの協業が顕著です。
航空宇宙
CERNは、装置や実験で生成される強烈で時にエキゾチックな放射線に長年対処してきた経験があります。
この経験は、衛星や有人宇宙実験の放射線シールドに実用的に応用でき、欧州宇宙機関（ESA）との協力で実現されています。
例えば、CERNは木星の過酷な放射環境を再現できる唯一の地上施設を保有しています。
その他の応用
CERNの全ての粒子検出器とシステムをナノ秒単位で完全に同期させる必要性は、同分野のエキスパートになることを意味します。
オープンソースの「CERN生まれの時間同期」標準は、通信、金融市場、量子ネットワークで利用可能です。例として、取引プロバイダーDeutsche Börseは自社の取引システムインフラでこの技術を使用しています。
教育
CERNは先端科学と物理学の教育リソースとしても機能しています。
これには、機器の3Dプリント可能モデル、解説漫画・コミックブック、教師向け教材の無料提供が含まれます。
同時に、CERNは独自の柔軟で高性能なオープンソースデジタルライブラリフレームワークを無料で提供しており、現在は図書館、大学、世界的機関で利用されています。
CERNは同フレームワークに基づく世界最大の汎用研究リポジトリを維持しており、あらゆる分野の科学者が研究成果を保存・共有できるようにしています。
CERNが知識共有に注力していることは、オープンソースかつ分散型の科学出版インフラであるOrviumというスピンオフにも表れています。
最後に、CERNは施設の教育ツアー、地域博物館、アート展示も提供しています。
CERNの将来インフラストラクチャーと成果
高輝度LHC（HL–LHC）
CERNの研究者と技術者は現在の装置からできるだけ多くを引き出すべく懸命に取り組むと同時に、次のステップも見据えています。
最初のステップは「高輝度LHC」またはHL–LHCで、LHCの輝度を10倍に向上させるアップグレードです。例えば、高輝度LHCは年間少なくとも1,500万個のヒッグスボソンを生成でき、2017年のLHCが約300万個だったのと比較できます。
Source: CERN
このアップグレードには磁石、超伝導リンク、保護システムの強化、加速器の改良が含まれます。
HL–LHCは2030年代半ばに稼働開始予定で、土木工事は2018年4月に開始され、2024年12月に最初の磁石が受領されました。
将来円形コライダー（FCC）
LHCの後継として、90km規模の巨大設計が次の粒子加速器ステップと期待されており、Future Circular Collider（FCC）と呼ばれます。平均深さ200メートル（656フィート）で建設される予定です。
最初の実験は15年間続き、2040年代半ばに開始されるFCC-ee（電子・陽電子コライダー）です。FCC-eeの電力消費は年間1〜1.8 TWhと見込まれています。
第二の装置、FCC-hh（陽子・陽子コライダー）は同じトンネル内に設置され、2070年代に開始し、25年以上稼働する予定です。
プロジェクト全体の費用は約CHF150億で、15年にわたって分散されます。実現可能性調査の最終完了は2025年、CERN委員会の最終決定は2027‑2028年、建設は2030年代に開始される見込みです。
FCCは標準模型を超える理論が予測する粒子を調査でき、より感度の高い検出器やより強力な加速が必要となります。
この深い物理学の理解は、コンピュータ性能の向上や材料科学の新たな可能性を開く上で重要になるでしょう。そしてそれにより、人類は星々を航行し、真の人工知能を創造し、無限に豊富なエネルギーを享受できる真に先進的な文明へと進化できるようになるでしょう。
CERN関連企業
CEVA
(CEVA )
CEVAはセンサー企業で、CERNと提携し、同機関のアルゴリズムを活用してセンサーの効率と電力消費を改善しています。CEVAのソリューションとIP（200件の特許）は18億台のデバイスに組み込まれています。
同社のソリューションは世界中の多くの主要電子ブランドで使用されています。
Source: CEVA
CEVAとCERNの協業の主な応用は「エッジAI」で、データセンター（クラウド）から離れたデバイス上で人工知能アプリケーションを展開することを指します。
粒子物理学のアルゴリズムがAIアプリケーションに再利用されるのは驚くべきことではありません。例えば、ニューラルネットワークはヒッグスボソン粒子の探索にも使用されました。粒子加速器データの解析は、膨大なデータ量のためにクラウドではなく現場で行う必要があります。
CEVAはCERNが将来の実験で使用できる新しい圧縮アルゴリズムを開発するのを支援し、同技術を自社製品に統合できるようにしました。
「CERNとの協業により、従来の16ビットベースラインモデルと比較して最大15倍高速にネットワークを実行できる革新的なアプローチを開発できました。
ネットワーク速度を向上させ、エネルギー消費を最大90％削減しながら、同等の精度を維持しています。」
これはCEVAの技術的進歩の一例で、同社は無線接続、センサー（ビジョン、オーディオ、モーション）およびニューラルネットワークアルゴリズムの分野で活動しています。
Source: CEVA
CEVAは5G（衛星5Gを含む）とIoT（モノのインターネット）の組み合わせにより、組み込みAIソリューションを提供することで大きく恩恵を受けています。産業向け・家庭向けの両方でリーダーシップを発揮しており、WiFi 6ソリューションのリーダーであると同時に、WiFi 7でも先頭に立っています。
Source: Ruije
ソフトウェアとIPの企業として、CEVAは広く知られており、IoTや5G分野に関心のある投資家にしばしば見落とされがちです。
同社はデータ処理とエッジAIの技術的最前線に位置する興味深い企業であり、CERNが人類史上最も複雑なデータ解析のいくつかを支援するために同社を選んだことがその証左です。
