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CERN: 현대 세계를 건설하기 위한 입자 이해
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현대 과학의 근원인 CERN
유럽 원자핵 연구 기구, 즉 CERN은 아원자 입자와 기본 물리학을 연구하는 세계에서 가장 중요한 시설 중 하나입니다.
이것은 양자 물리학과 상대성 이론이 현대 세계의 기술 혁신의 대부분, 아니 그 이상을 뒷받침하는 기초 과학이었기 때문에 중요한 작업입니다. 컴퓨터, 휴대전화, 레이저, 통신, 위성, MRI, 태양 전지판, 첨단 현미경, 핵에너지 등.
이러한 모든 기술은 원자, 전자, 그리고 가장 작은 규모의 다른 입자들의 행동에 대한 깊은 이해를 필요로 하기 때문입니다. 그리고 이러한 것들은 거의 직관적이며, 원자핵 주위를 도는 전자라는 단순화된 모델을 훨씬 뛰어넘습니다. 예를 들어, 가장 단순한 원자인 수소조차도 전자의 실제 행동을 설명하려면 복잡한 방정식이 필요합니다.
출처: 에너지 부
CERN은 또한 인터넷을 포함한 많은 다른 발견의 원천이 된 진정한 세계적이고 국제적인 과학 이니셔티브이기도 했습니다.
마지막으로, CERN 시설의 건설, 운영 및 업그레이드는 초전도체, 센서, 초강력 레이저 및 자석과 같은 많은 첨단 과학 분야의 연구 및 엔지니어링을 진흥하는 데 큰 원동력이 되었습니다.
첫날부터 야심찬 과학
CERN은 1954년 유럽 12개국이 모여 설립한 기관으로 프랑스어 약어는 “유럽 핵 연구 위원회"라는 이름을 붙였습니다.
출처: 위키 백과
현대 입자물리학의 많은 부분이 CERN에서 탄생했다고 해도 과언이 아닐 것입니다. 특히 다음과 같은 것들이 있습니다.
- 4가지 기본 힘 중 하나를 지니는 약한 보손을 발견한 공로로 1984년 노벨 물리학상이 수여되었습니다.
- 최초로 반수소 원자가 창조되었습니다.
- 새로운 물질 상태인 쿼크-글루온 플라즈마가 발견되었습니다.
- 1992년에 입자 검출기를 발명하고 개발한 공로로 CERN 연구자에게 노벨 물리학상이 수여되었습니다.
- 2013년 노벨 물리학상은 히그스 보손(입자에 질량을 부여하는 입자)을 설명하고 관찰한 공로로 CERN 연구자들에게 수여되었습니다.
출처: CERN
오늘날 CERN에는 정식 회원으로 25개국과 준회원으로 10개국이 참여하고 있으며, 이는 잠재적 정회원이 되기 전의 첫 단계입니다. 여기에 관찰자 지위를 가진 3개국(일본, 러시아, 미국)과의 긴밀한 관계와 지구상의 거의 모든 국가와의 협력 또는 과학적 접촉도 추가되어야 합니다.
CERN은 3,500명을 직접 고용하고 있는데, 가장 큰 그룹은 과학자와 엔지니어이고, 그 다음은 기술자이며, 그 뒤를 이어 XNUMX명 미만의 연구 물리학자가 선두와 통찰력을 따릅니다.
출처: CERN
CERN 인프라
CERN의 업적은 입자 가속기와 검출기를 만드는 데 들어간 세계적 수준의 엔지니어링이 없었다면 불가능했을 것입니다.
입자 가속기는 공기나 먼지가 없는 강한 진공 상태에서 입자를 움직여 작동합니다. 강력한 전자석과 전기장은 입자를 가속하고 가속기 안에 가두어 둡니다. 가속된 입자는 때로는 빛의 속도의 99.9%(초당 299미터/초당 792마일)로 다른 입자 빔이나 고정된 표적에 충돌합니다.
이런 충돌에서 나타나는 극한의 속도와 에너지는 과학자들이 이들 입자의 근본적인 특성에 대해 더 잘 이해할 수 있게 해줍니다.
출처: 에너지 부
오늘날 CERN의 주요 입자 가속기는 스위스 제네바에 위치한 LHC(Large Hadron Collider)입니다. LHC는 175m(575피트) 깊이의 지하 터널로, 둘레가 27km(17마일)인 원을 형성합니다.
미래에는 제네바 호수 아래와 도시 주변을 지나는 훨씬 더 큰 90~100km 가속기가 등장하면서 규모가 작아질 수도 있습니다(자세한 내용은 아래 참조).
출처: 스위스토포
오늘날 CERN은 "주요" LHC 외에도 더 무거운 입자, 양성자, 플라스마, 불안정한 핵 연구 등에 대한 특정 연구 요구 사항을 위해 11개의 다른 입자 가속기를 운영합니다. 이러한 입자 가속기는 종종 서로를 보완하며, 많은 입자가 복잡한 상호 연결 시스템에서 필요한 입자를 다른 입자에 "공급"합니다.
출처: CERN
이 기관에는 11년대 이후에 건설된 입자가속기와 충돌기가 무려 1950개나 있습니다.
CERN 기술
LHC
LHC가 깊은 지하에 위치한 것은 과학적 이유와 재정적 이유가 복합적으로 작용한 결과입니다. 특히 비용이 많이 드는 제네바 지역에서는 직경 27km의 지표면을 확보하는 것보다 터널을 파는 것이 더 저렴합니다. 또한 암석층은 우주 방사선과 지표 방사선으로부터 시설을 보호합니다.
출처: CERN
LHC는 역사상 가장 강력한 입자 가속기입니다. 연평균 600GWh의 에너지를 소비하는데, 이는 CERN의 총 에너지 소비량인 1.3TWh의 약 절반에 해당합니다. 참고로, 프랑스 전체가 500TWh, EU가 3400TWh, 그리고 전 세계가 20,000TWh를 소비합니다.
LHC는 빛의 속도에 가깝게 이동하는 2개의 입자 빔을 서로 충돌시킵니다. 이들은 안내되고 제한됩니다. 9593 초전도 전자석 -271.3°C (-456.34°F)의 액체 헬륨으로 냉각됨.
이 작업에 필요한 에너지의 대부분은 전자석에서 소모되는데, 이는 전자석을 작동시키는 데 필요하며, 또한 이 엄청난 양의 액체 헬륨을 생산하는 데 필요한 에너지 소모량 때문입니다.
LHC 목표
LHC는 2008년에 첫 번째 충돌 실험을 수행했으며, 2040년대까지 가동될 예정입니다. 힉스 입자 발견을 포함한 첫 번째 실험 이후, LHC는 두 번째 실험에 대비하여 대대적인 업그레이드 및 유지보수 작업을 진행하고 있으며, 두 번째 실험에서는 LHC의 충돌 에너지가 13TeV(테라전자볼트)로 증가할 예정입니다.
히그스 보손의 발견 이후, LHC는 암흑 에너지와 암흑 물질의 역할과 본질을 포함하여 우주에 관한 근본적인 질문에 대한 해답을 찾는 데 도움이 될 것으로 기대됩니다.
도달한 극한 에너지 수준은 또한 "쿼크-글루온 플라스마" 상태인 우주의 초기 단계에 대한 통찰력을 제공할 것입니다.
아틀라스
LHS의 핵심 보완 장치는 ATLAS 입자 검출기입니다. 길이 46m(150피트), 지름 25m(82피트)로 지금까지 제작된 입자 검출기 중 가장 큽니다.
감지기에는 충돌로 인해 생성된 입자를 기록하는 100억 개 이상의 민감한 전자 채널이 포함되어 있습니다.
여기에는 여러 개의 하위 검출기가 포함되어 있으며, 각각은 별도의 역할을 하여 광자, 전자, 뮤온, 파이온 등을 동시에 감지합니다.
출처: 아틀라스
5900개 과학 기관을 대표하여 180개국 이상에서 온 40명 이상의 물리학자, 엔지니어, 기술자, 학생, 관리자가 ATLAS를 구축하고 운영했습니다.
CERN – 기술의 탄생
이 모든 킬로미터의 입자 가속기 시간이 지나면서 인류에게 많은 유용한 기술을 제공했습니다..
인터넷 발명
아마도 CERN이 내놓은 기술 중 가장 큰 영향을 미친 것은 인터넷일 겁니다. 정말입니다.
CERN은 자체 내부 네트워크를 위해 TCP/IP 프로토콜을 생성했으며 월드 와이드 웹의 개념은 CERN의 Tim Berners-Lee에 의해 발명되었습니다., 누가 만든 최초의 웹사이트 (링크를 따라가서 어떻게 생겼는지 확인하세요).
처음에는 연구자들이 데이터와 아이디어를 더 쉽게 교환할 수 있는 방법으로 생각되었습니다.
출처: CERN
1993년 CERN은 World Wide Web 소프트웨어를 퍼블릭 도메인 지적 재산으로 세계에 제공했습니다. 또한 웹으로 연결된 여러 컴퓨터를 통해 계산을 수행하는 프로세스인 그리드 컴퓨팅의 선구자이기도 했습니다.
그러니 역설적이게도, 입자가속기 연구 기관인 CERN의 가장 큰 공헌 중 하나는 양자물리학 실험 대신 모든 지식, 데이터, 소프트웨어의 자유로운 교환을 촉진한 것이었을 것입니다.
의료 응용
CERN 연구의 한 가지 응용 분야는 입자 가속기에 대한 심층적인 이해입니다. 더 작은 크기의 가속기는 이제 병원에서 암 치료 시 방사선 치료를 위해 일상적으로 사용되고 있습니다. 지속적인 연구를 통해 시간이 지남에 따라 가속기의 효율성, 크기, 그리고 가격이 점점 더 향상되었습니다.
암 치료에 대한 또 다른 공헌은 핵의학 분야입니다. 핵의학은 희귀 동위 원소를 사용하여 암 세포를 죽입니다.
이들 방사성 동위 원소 중 일부는 CERN에서만 독특하게 생산됩니다.
의료 영상 분야도 입자물리학이 중요한 분야로, 엑스선부터 MRI, PET 스캔, CT(컴퓨터 단층촬영)까지 다양합니다.
하드론 방사선 요법의 여러 가지 개선과 의학적 상상력g는 ATLAS 입자 감지기용으로 개발된 센서에서 직접 나왔습니다.
코로나 팬데믹 동안 CERN은 방 크기, 방에서 보낸 시간, 마스크 착용 여부, 사람 수, 환기 등 다양한 매개변수를 사용하여 밀폐된 공간의 바이러스 농도를 모델링하는 오픈 소스 도구(COVID Airborne Risk Assessment tool – CARA)를 개발했습니다.
에너지 및 그린 테크
CERN은 잠재적으로 더 가벼운 비행기 또는 전기 비행기를 위한 초전도 케이블에 대한 전문 지식을 제공하여 에어버스와 협력해 왔습니다.
이 기관에서 매우 낮은 온도에서 재료를 테스트한 경험은 항공기 운송 분야에서 수소의 잠재력을 테스트하는 데에도 유용합니다.
CERN은 또한 세계 최대 핵융합 프로젝트인 ITER와 긴밀히 협력하고 있습니다. 성공하면 무한한 청정 에너지 공급이 가능해질 것이다.핵융합이 주로 초강력 자석과 초전도체 물질에 의존한다는 점을 고려하면, CERN의 전문성과 겹치는 부분이 분명합니다.
데이터 처리
입자가 감지되면 마이크로초 단위로 생성되는 데이터의 흐름이 엄청납니다. 더 문제가 되는 것은, 이 초당 40테라바이트는 나중에 처리하기 위해 저장할 수 없다는 것입니다.
이를 통해 CERN 과학자들은 즉석에서 어떤 데이터가 가장 흥미로운지 결정할 수 있는 알고리즘을 설계하는 전문가가 되었습니다.
CERN은 다음과 같은 회사와 협력하고 있습니다. CEVA (센서) 또는 ABB 모터 이러한 알고리즘을 사용하여 CERN의 개발 중인 시설과 장비의 에너지 소비를 최적화합니다.
자동차 안전 회사에서도 이를 사용합니다. 젠섹트 저지연 자율주행 시스템을 개발합니다.
동일한 원칙이 드론 및 로봇 시스템에 일반적으로 적용되고 있으며 특히 회사에서는 다음과 같은 원칙이 적용됩니다. 테라비.
Aerospace
CERN은 장비와 실험에서 생성되는 강렬하고 때로는 이례적인 형태의 방사선을 다루는 데 있어 오랜 경험을 가지고 있습니다.
이러한 기술은 종종 유럽 우주국(ESA)과 협력하여 인공위성의 방사선 차폐와 우주의 유인 실험과 같은 실제 응용 분야에서 활용될 수 있습니다.
예를 들어, CERN은 목성의 혹독한 복사 환경을 재현할 수 있는 지구상의 유일한 시설을 보유하고 있습니다.
기타 애플리케이션
CERN은 모든 입자 검출기와 시스템을 나노초 단위까지 완벽하게 동기화해야 한다는 요구 사항을 충족하여 이 분야에서도 전문 기업으로 자리매김했습니다.
오픈소스 "CERN에서 태어난 시간 동기화" 표준은 통신, 금융 시장 및 양자 네트워크에서 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 거래 제공자 도이체 ör 르세 이를 거래 시스템 인프라에 활용하고 있습니다.
교육
CERN은 첨단 과학과 물리학에 대한 교육 자원 역할도 하고 있습니다.
여기에는 무료 제공이 포함됩니다. 장비의 3D 인쇄 모델, 설명 만화 및 만화책, 교사를 위한 교실 자료.
동시에, 오늘날 도서관, 대학, 글로벌 기관에서 사용되는 유연하고 고성능의 오픈소스 디지털 도서관 프레임워크를 무료로 제공합니다.
CERN의 지식 공유에 대한 헌신은 분사에서도 나타납니다. 오르 비움오픈 소스 및 분산형 과학 출판을 위한 출판 인프라입니다.
마지막으로 CERN은 시설에 대한 교육 투어, 지역 박물관 및 미술 전시회를 제공합니다.
CERN 미래 인프라 및 성과
고휘도 LHC (HL–LHC)
CERN 연구원과 기술자들은 현재 설비에서 최대한 많은 결과를 얻기 위해 노력하는 한편, 동시에 다음 단계를 모색하고 있습니다.
첫 번째는 다음과 같습니다. “고휘도 LHC” 또는 HL-LHC, LHC의 광도를 10배로 높이기 위한 업그레이드입니다. 예를 들어, 고광도 LHC는 15년 LHC의 약 2017만 개에 비해 연간 최소 XNUMX만 개의 히그스 보손을 생산할 것입니다.
출처: CERN
업그레이드에는 자석, 초전도체 링크, 강화된 보호 기능, 더 나은 가속기의 개선이 포함됩니다.
HL-LHC는 2030년 2018월 토목 공사가 시작되어 XNUMX년대 중반에 가동될 예정입니다. 2024년 XNUMX월에 첫 번째 자석을 받았습니다..
미래 원형 충돌기(FCC)
LHC에 이어 입자가속기의 다음 단계는 90km에 달하는 거대한 설계가 될 것으로 예상된다. 미래 원형 충돌기(FFC)평균 200미터(656피트) 깊이에 건설될 예정입니다.
첫 번째 실험은 15년대 중반에 전자-양전자 충돌기인 FCC-ee로 시작하여 2040년 동안 진행될 예정입니다. FCC-ee의 전력 소비량은 연간 1~1.8TWh로 예상됩니다.
두 번째 기계인 양성자-양성자 충돌기인 FCC-hh는 같은 터널에 설치될 예정이며, 2070년대에 가동을 시작하여 25년 이상 작동할 예정입니다.
전체 프로젝트는 15년에 걸쳐 약 CHF15B의 비용이 들 것으로 예상됩니다. 타당성 조사의 최종 완료는 2025년으로 예상되며, CERN 위원회에서 2027-2028년까지 최종 결정을 내리고 2030년대에 공사가 시작됩니다.
FCC는 이론을 넘어서 예측되는 입자를 조사할 수 있습니다. 입자물리학의 표준모형그러려면 더 민감한 감지기나 더 강력한 가속도가 필요합니다.
물리학에 대한 이러한 더 깊은 이해는 컴퓨터 성능을 개선하고 재료 과학에 새로운 가능성을 여는 데 중요할 것입니다. 그리고 그렇게 함으로써 인류는 별을 항해하고, 진정한 인공지능을 창조하고, 무한한 풍부한 에너지를 누릴 수 있는 진정으로 진보된 문명이 될 수 있습니다.
CERN 관련 회사
CEVA
(CEVA )
CEVA는 센서 기업으로, CERN과 협력하여 기관 알고리즘을 활용하여 센서의 효율성과 전력 소비를 개선하고 있습니다. CEVA 솔루션과 IP(200개 특허)는 18억 개의 기기에 통합되어 있습니다.
이 회사 솔루션은 전 세계의 많은 주요 전자 브랜드에서 사용되고 있습니다.
출처: CEVA
CEVA와 CERN의 협력의 주요 응용 분야는 "Edge AI", 즉 데이터 센터(클라우드)에서 멀리 떨어져 있고 소비자에게 더 가까운(엣지) 장치에 배포되는 인공 지능 응용 프로그램입니다.
예를 들어, 신경망이 히그스 보손 입자를 찾는 데 사용되었듯이, 입자 물리학 알고리즘이 AI 애플리케이션에서 재사용되는 것을 보는 것은 놀라운 일이 아닐 수 있습니다. 입자 가속기 데이터 분석은 매우 빠르게 생성되는 엄청난 양의 데이터로 인해 클라우드가 아닌 현장에서 수행해야 합니다.
Ceva는 CERN이 향후 실험에 사용할 수 있는 새로운 압축 알고리즘을 만드는 데 도움을 주었으며, 이 새로운 기술을 자사 제품에 통합할 수 있을 것으로 기대됩니다.
"CERN과의 협력 덕분에 우리는 15비트 기준 모델에 비해 네트워크가 최대 16배 더 빠르게 실행될 수 있는 혁신적인 접근 방식을 개발할 수 있었습니다.
이를 통해 네트워크 속도가 향상되고 에너지 소비가 최대 90%까지 줄어드는 동시에 정확도는 그대로 유지됩니다."
이는 CEVA의 기술적 진보 중 하나에 불과하며, 이 회사는 무선 연결, 센서(비전, 오디오, 모션), 신경망 알고리즘 분야에서 활동하고 있습니다.
출처: CEVA
CEVA는 산업 및 홈 솔루션 모두에 내장된 AI 솔루션과 함께 5G 연결(위성 5G 포함)과 IoT(사물 인터넷)의 결합된 추세에서 큰 혜택을 얻고 있습니다. 또한 WiFi 6 솔루션의 선두 주자이며 WiFi 7에서 선두 자리를 차지하고 있습니다.
출처: 루이지
소프트웨어 및 IP 기업인 CEVA는 잘 알려져 있지만, IoT 및 5G 분야에 관심이 있는 투자자들에게는 종종 간과되는 회사입니다.
데이터 처리 및 엣지 AI 분야의 기술 진보의 최전선에 있는 흥미로운 기업이 될 수 있습니다. CERN이 인류가 수행한 가장 복잡한 데이터 분석을 돕기 위해 이 기업을 선택한 것에서도 알 수 있습니다.
