Megaprojecten
CERN: Deeltjes begrijpen om de moderne wereld te bouwen
CERN als de wortel van de moderne wetenschap
De Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek, of CERN, is een van de belangrijkste faciliteiten ter wereld voor de studie van subatomaire deeltjes en fundamentele fysica.
Dit is belangrijk werk, aangezien kwantumfysica en relativiteit de fundamentele wetenschappen zijn achter veel, zo niet de meeste, technologische innovaties van de moderne wereld, waaronder computers, mobiele telefoons, lasers, telecommunicatie, satellieten, MRI, zonnepanelen, geavanceerde microscopen, kernenergie, enz.
Dit komt doordat al deze technologieën een diep begrip vereisen van het gedrag van atomen, elektronen en andere deeltjes op de kleinste schaal. En die zijn allesbehalve intuïtief, ver voorbij het vereenvoudigde model van elektronen die om de kern van een atoom draaien. Bijvoorbeeld, zelfs het eenvoudigste mogelijke atoom, waterstof, vereist een complexe vergelijking om te beschrijven hoe zijn elektronen zich werkelijk gedragen.
Bron: Department of Energy
CERN is ook een werkelijk wereldwijde en internationale wetenschappelijke initiatief geweest waaruit vele andere ontdekkingen, waaronder het internet zelf, zijn voortgekomen.
Ten slotte hebben de bouw, exploitatie en modernisering van de CERN-faciliteiten een belangrijke drijfveer gevormd voor onderzoek en engineering in veel geavanceerde wetenschappelijke velden zoals supergeleiders, sensoren en ultrakrachtige lasers en magneten.
Ambitieuze wetenschap vanaf dag één
CERN werd in 1954 opgericht door 12 Europese landen, met het Franse acroniem “Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire” dat de naam heeft gegeven.
Bron: Wikipedia
Het zou geen overdrijving zijn om te zeggen dat een groot deel van de moderne deeltjesfysica in CERN is geboren, met name:
- De ontdekking van de zwakke bosonen die één van de 4 fundamentele krachten dragen, werd beloond met de Nobelprijs voor de Natuurkunde in 1984.
- De eerste creatie van antwaterstofatomen.
- De ontdekking van een nieuwe materietoestand, het quark‑gluon‑plasma.
- Nobelprijs voor de Natuurkunde in 1992 voor een CERN-onderzoeker voor zijn uitvinding en ontwikkeling van deeltjesdetectoren.
- Nobelprijs voor de Natuurkunde in 2013 voor CERN-onderzoekers voor de beschrijving en waarneming van de Higgs‑bosonen (verantwoordelijk voor het geven van massa aan deeltjes).
Bron: CERN
Vandaag omvat CERN 25 landen als volwaardige leden en 10 associate members, wat de eerste stap is vóór mogelijke volledige lidmaatschappen. Daarbij moet ook de nauwe relatie met 3 landen met waarnemersstatus (Japan, Rusland, VS) en samenwerking of wetenschappelijk contact met bijna elk land op aarde worden toegevoegd.
CERN heeft rechtstreeks 3.500 mensen in dienst, waarvan de grootste groep bestaat uit wetenschappers en ingenieurs, gevolgd door technici, en een handvol minder dan honderd onderzoekfysici.
Bron: CERN
CERN-infrastructuren
Geen van de prestaties van CERN zou mogelijk zijn geweest zonder de wereldklasse engineering die nodig was om zijn deeltjesversneller en detectoren te bouwen.
Deeltjesversnellers werken door deeltjes te verplaatsen in een sterk vacuüm, vrij van lucht of stof. Krachtige elektromagneten en elektrische velden versnellen de deeltjes en houden ze binnen de versneller. Het versnelde deeltje, soms met 99,9 % van de lichtsnelheid (299 792 458 meter per seconde / 186 000 mijl per seconde), treft ofwel een andere deeltjesbundel of een vast doelwit.
De extreme snelheid en energie in deze botsingen stellen wetenschappers in staat meer te begrijpen over de fundamentele aard van deze deeltjes.
Bron: Department of Energy
Vandaag is de belangrijkste deeltjesversneller van CERN de LHC (Large Hadron Collider), gelegen in Genève, Zwitserland. De LHC is een ondergrondse tunnel tot 175 meter (575 voet) diep, die een cirkel vormt van 27 kilometer (17 mijl) omtrek.
In de toekomst zou hij kunnen worden overschaduwd door een nog grotere 90‑100 km versneller die onder het Meer van Genève en rondom de stad loopt (meer hierover hieronder).
Bron: Swisstopo
Vandaag, naast de “hoofd‑”LHC, exploiteert CERN 11 andere deeltjesversnellers voor specifieke onderzoeksbehoeften op het gebied van zwaardere deeltjes, protonen, plasma, studie van onstabiele kernen, enz. Deze versnellers vullen elkaar vaak aan, waarbij veel “voeden” de benodigde deeltjes in de anderen in een complex onderling gekoppeld systeem.
Bron: CERN
De instelling heeft ook niet minder dan 11 buiten gebruik gestelde deeltjesversnellers en colliders die sinds de jaren 1950 zijn gebouwd.
CERN-technologie
LHC
De diepe ondergrondse ligging van de LHC is het resultaat van een mix van wetenschappelijke en financiële redenen. Het is goedkoper om een tunnel te graven dan een cirkel van 27 km diameter aan oppervlaktegrond te verwerven, vooral in de dure regio rond Genève. De rotslagen bieden bovendien bescherming tegen kosmische en oppervlakte‑straling.
Bron: CERN
De LHC is de krachtigste deeltjesversneller die ooit is gebouwd. Hij verbruikt gemiddeld 600 GWh per jaar, ongeveer de helft van het totale energieverbruik van CERN van 1,3 TWh. Ter vergelijking: heel Frankrijk verbruikt 500 TWh, de EU 3 400 TWh, en de wereld 20 000 TWh.
De LHC maakt twee deeltjesbundels, elk bijna met de lichtsnelheid, die met elkaar botsen. Ze worden geleid en vastgehouden door 9 593 supergeleidende elektromagneten gekoeld met vloeibaar helium bij -271,3 °C (-456,34 °F).
Het grootste deel van het energieverbruik van de operatie is te wijten aan de elektromagneten, zowel voor hun werking als voor de energie die nodig is om deze enorme hoeveelheid vloeibaar helium te produceren.
LHC-doelen
De LHC voerde zijn eerste botsing uit in 2008 en zal naar verwachting tot in de jaren 2040 blijven draaien. Na een eerste run inclusief de ontdekking van het Higgs‑boson, ondergaat hij een massieve upgrade en onderhoudswerk om zich voor te bereiden op de tweede run, die de vermogensniveaus van de LHC zal verhogen tot 13 TeV (tera‑elektronvolt) botsingen.
Na de ontdekking van het Higgs‑boson wordt verwacht dat de LHC zal helpen fundamentele vragen over het universum te beantwoorden, waaronder de rol en aard van de zogenaamde donkere energie en donkere materie.
De extreme energieniveaus die worden bereikt, zouden ons ook inzicht moeten geven in de vroege fase van het universum, in een staat van “quark‑gluon‑plasma”.
ATLAS
Een belangrijke aanvulling op de LHC is de ATLAS‑deeltjesdetector. Het is de grootste deeltjesdetector die ooit is gebouwd, met een lengte van 46 meter (150 voet) en een diameter van 25 meter (82 voet).
De detectoren bevatten meer dan 100 miljoen gevoelige elektronische kanalen om de deeltjes die door de botsingen worden geproduceerd vast te leggen.
Hij bevat vele sub‑detectoren, elk met een eigen rol, om tegelijkertijd fotonen, elektronen, muonen, pionen, enz. te detecteren.
Bron: ATLAS
Meer dan 5 900 fysici, ingenieurs, technici, studenten en administrateurs hebben gewerkt aan de bouw en exploitatie van ATLAS, afkomstig van 180 wetenschappelijke instellingen uit meer dan 40 landen.
CERN – Technologieën geboren
Al deze kilometers deeltjesversnellers hebben in de loop der tijd veel bruikbare technologie voor de mensheid opgeleverd.
De uitvinding van het internet
Misschien de meest impactvolle technologie die ooit uit CERN is voortgekomen: het internet; echt.
CERN creëerde het TCP/IP‑protocol voor zijn eigen interne netwerk, en het concept van het World Wide Web werd uitgevonden bij CERN door Tim Berners‑Lee, die de allereerste website maakte (volg de link om te zien hoe die eruitzag).
Het werd aanvankelijk gezien als een manier voor onderzoekers om gegevens en ideeën gemakkelijker uit te wisselen.
Bron: CERN
In 1993 bood CERN de World Wide Web‑software aan de wereld aan als publiek‑domain intellectueel eigendom. Het zou ook een pionier worden in grid‑computing, het proces waarbij een berekening wordt uitgevoerd via meerdere computers die via het web met elkaar verbonden zijn.
Dus misschien paradoxaal, een van de grootste bijdragen van CERN, een organisatie voor onderzoek naar deeltjesversnellers, was het bevorderen van de vrije uitwisseling van alle kennis, data en software, in plaats van een kwantumfysisch experiment.
Medische toepassingen
Een toepassing van CERN‑onderzoek is een dieper begrip van deeltjesversnellers. Kleinere versnellers worden nu routinematig in ziekenhuizen gebruikt voor radiotherapie bij de behandeling van kanker. Doorlopend onderzoek heeft ze steeds efficiënter, kleiner en goedkoper gemaakt.
Een extra bijdrage aan de kankertherapie is op het gebied van nucleaire geneeskunde, of het gebruik van zeldzame isotopen om kankercellen te doden.
Sommige van deze radio‑isotopen worden uitsluitend bij CERN geproduceerd.
Medische beeldvorming is een ander veld waar deeltjesfysica cruciaal is, van röntgenstralen tot MRI, PET‑scans en computertomografie (CT).
Verschillende verbeteringen in hadron‑radiotherapie, evenals medische beeldvorming kwamen direct voort uit de sensoren die voor de ATLAS‑detector zijn ontwikkeld.
Tijdens de Covid‑pandemie ontwikkelde CERN een open‑source‑tool (COVID Airborne Risk Assessment tool – CARA) om de virusconcentratie in afgesloten ruimtes te modelleren met variabele parameters, zoals kamergrootte, tijd doorgebracht in de kamer, maskergebruik, aantal personen en ventilatie.
Energie & groene technologie
CERN werkt samen met Airbus door zijn expertise in te zetten voor supergeleidende kabels die potentieel lichtere vliegtuigen of zelfs elektrische vliegtuigen mogelijk maken.
De ervaring van de instelling met het testen van materialen bij extreem lage temperaturen is ook nuttig voor het testen van de potentie van waterstof in luchtvervoer.
CERN werkt ook nauw samen met ITER, ’s werelds grootste kernfusieproject, dat een onbeperkte bron van schone energie zou kunnen bieden als het slaagt. Aangezien kernfusie grotendeels afhankelijk is van ultrakrachtige magneten en supergeleider‑materialen, is de overlap met CERN‑expertise duidelijk.
Gegevensverwerking
Wanneer deeltjes worden gedetecteerd, is de hoeveelheid data die in microseconden wordt gegenereerd enorm. Nog problematischer: deze 40 terabyte per seconde kunnen niet worden opgeslagen voor latere verwerking.
Dit heeft CERN‑wetenschappers ertoe gebracht experts te worden in het ontwerpen van algoritmen die in real‑time kunnen bepalen welke data het meest interessant zijn.
CERN werkt samen met bedrijven zoals CEVA (sensortechnologie) of ABB Motors om dergelijke algoritmen te gebruiken om het energieverbruik van CERN‑faciliteiten en -apparatuur in ontwikkeling te optimaliseren.
Dit wordt ook gebruikt door het autoveiligheidsbedrijf Zenseact om lage‑latentie autonome rijsystemen te ontwikkelen.
Dezelfde principes worden ingezet voor drones en roboticasystemen in het algemeen, met name in samenwerking met het bedrijf Terabee.
Ruimtevaart
CERN heeft een langdurige ervaring met het omgaan met intense en soms exotische vormen van straling die door zijn apparatuur en experimenten worden geproduceerd.
Dit kan worden benut in praktische toepassingen voor stralingsbescherming van satellieten en bemande experimenten in de ruimte, vaak in samenwerking met de European Space Agency (ESA).
Zo heeft CERN bijvoorbeeld de enige installatie op aarde die de harde stralingsomgeving van Jupiter kan nabootsen.
Andere toepassingen
De eisen van CERN om al zijn deeltjesdetectoren en systemen tot op de nanoseconde perfect te synchroniseren, hebben het tot een expert op dit gebied gemaakt.
De open‑source “CERN‑geboren tijd‑synchronisatie”‑standaarden kunnen worden gebruikt in telecom, financiële markten en kwantumnetwerken. Bijvoorbeeld, handelsprovider Deutsche Börse maakt er gebruik van in hun handelsysteem‑infrastructuur.
Onderwijs
CERN fungeert ook als een educatieve bron voor geavanceerde wetenschappen en fysica.
Dit omvat het gratis aanbieden van een 3D‑printbaar model van zijn apparatuur, verklarende cartoons en stripboeken, en lesmateriaal voor docenten.
Parallel daaraan biedt CERN gratis zijn eigen flexibele, high‑performance, open‑source digitale bibliotheek‑framework, dat vandaag de dag wordt gebruikt door bibliotheken, universiteiten en wereldwijde instellingen.
De toewijding van CERN aan kennisdeling komt ook tot uiting in zijn spin‑off Orvium, een publicatie‑infrastructuur voor open‑source en gedecentraliseerde wetenschappelijke publicaties.
Tot slot biedt CERN educatieve rondleidingen door de faciliteiten, een lokaal museum en kunsttentoonstellingen.
CERN toekomstige infrastructuren & prestaties
High Luminosity LHC (HL–LHC)
Terwijl de CERN‑onderzoekers en technici hard werken om zoveel mogelijk uit de huidige installaties te halen, kijken ze tegelijkertijd naar de volgende stappen.
De eerste zal de “High Luminosity LHC”, of HL–LHC zijn, een upgrade die beoogt de luminositeit van de LHC met een factor 10 te verhogen. Bijvoorbeeld, de High‑Luminosity LHC zal minstens 15 miljoen Higgs‑bosonen per jaar produceren, vergeleken met ongeveer drie miljoen in 2017.
Bron: CERN
De upgrade zal verbeteringen omvatten in magneten, supergeleider‑koppelingen, versterkte bescherming en betere versnellers.
HL–LHC zou operationeel moeten zijn in het midden van de jaren 2030, aangezien de civiel‑technische werkzaamheden begonnen zijn in april 2018, en zijn eerste magneten in december 2024 heeft ontvangen.
Future Circular Collider (FCC)
Na de LHC wordt een gigantisch 90 km‑ontwerp verwacht als de volgende stap in deeltjesversnellers, genaamd the Future Circular Collider (FFC). Het zal worden gebouwd op een gemiddelde diepte van 200 meter (656 voet).
De eerste experimenten zullen 15 jaar duren, beginnend in het midden van de jaren 2040 met de FCC‑ee, een elektronen‑positronen‑collider. Het energieverbruik van de FCC‑ee wordt geschat tussen 1 en 1,8 TWh/jaar.
Een tweede machine, de FCC‑hh, een proton‑proton‑collider, zou in dezelfde tunnel worden geïnstalleerd en starten in de jaren 2070 en meer dan 25 jaar draaien.
Het volledige project wordt geschat op ongeveer CHF 15 miljard, verspreid over 15 jaar. De definitieve afronding van de haalbaarheidsstudie wordt verwacht in 2025, met een definitieve beslissing van het CERN‑comité in 2027‑2028 en de bouw die in de jaren 2030 start.
De FCC zou deeltjes kunnen onderzoeken die door theorieën worden voorspeld die verder gaan dan het standaardmodel van de deeltjesfysica, wat zou vereisen dat er gevoeliger detectoren of krachtigere versnelling nodig is.
Dit diepere begrip van de fysica zal waarschijnlijk cruciaal zijn voor het verbeteren van de prestaties van computers en het openen van nieuwe mogelijkheden voor materiaalkunde. En door dat te doen, de mensheid in staat stellen een werkelijk geavanceerde beschaving te worden die de sterren kan navigeren, echte kunstmatige intelligentie kan creëren, of genieten van onbeperkt overvloedige energie.
CERN gerelateerd bedrijf
CEVA
(CEVA )
CEVA is een sensorenbedrijf en een partner van CERN om het algoritme van de instelling te gebruiken om de efficiëntie en het energieverbruik van zijn sensoren te verbeteren. CEVA‑oplossingen en IP (200 patenten) worden geïntegreerd in 18 miljard apparaten.
De bedrijfsoplossingen worden gebruikt door vele toonaangevende elektronicamerken wereldwijd.
Bron: CEVA
De belangrijkste toepassing van de samenwerking tussen CEVA & CERN is “Edge AI”, of kunstmatige‑intelligentie‑toepassingen die op apparaten buiten de datacenters (de cloud) en dichter bij de eindgebruikers (de edge) worden ingezet.
Het is misschien niet verrassend dat algoritmen uit de deeltjesfysica worden hergebruikt in AI‑toepassingen, aangezien neurale netwerken bijvoorbeeld werden gebruikt bij het vinden van het Higgs‑bosondeeltje. Het analyseren van data van deeltjesversnellers moet ter plaatse gebeuren in plaats van in de cloud, vanwege het enorme volume data dat zeer snel wordt geproduceerd.
CEVA hielp CERN nieuwe compressie‑algoritmen te creëren die kunnen worden gebruikt in toekomstige experimenten en zal deze nieuwe technologie kunnen integreren in zijn producten.
“Dankzij onze samenwerking met CERN konden we een innovatieve benadering ontwikkelen die netwerken tot 15 x sneller laat draaien vergeleken met 16‑bit baseline‑modellen.
Het verbetert de netwerksnelheid en verlaagt het energieverbruik tot 90 % terwijl de nauwkeurigheid vergelijkbaar blijft.
Dit is slechts één van CEVA’s technologische vooruitgangen, waarbij het bedrijf actief is in draadloze connectiviteit, sensoren (visie, audio, beweging) en neurale‑netwerk‑algoritmen.
Bron: CEVA
CEVA profiteert sterk van de gecombineerde trend van 5G‑connectiviteit (inclusief satelliet‑5G) en IoT (Internet of Things) met ingebedde AI‑oplossingen, zowel voor industriële als huishoudelijke toepassingen. Het is ook een leider in WiFi 6‑oplossingen en heeft een leidende positie in WiFi 7.
Bron: Ruije
Als software‑ en IP‑bedrijf is CEVA goed bekend en wordt het vaak over het hoofd gezien door investeerders die geïnteresseerd zijn in de IoT‑ en 5G‑sectoren.
Het kan een interessant bedrijf zijn aan de allerrand van technologische vooruitgang in gegevensverwerking en edge‑AI, zoals geïllustreerd door de keuze van CERN om het te betrekken bij enkele van de meest complexe data‑analyses die ooit door de mensheid zijn uitgevoerd.
