Megaprojecten
CERN: deeltjes begrijpen om de moderne wereld te bouwen
Securities.io hanteert strenge redactionele normen en kan een vergoeding ontvangen voor beoordeelde links. Wij zijn geen geregistreerde beleggingsadviseur en dit is geen beleggingsadvies. Bekijk onze affiliate openbaarmaking.
CERN als de wortel van de moderne wetenschap
De Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek, ofwel CERN, is een van de belangrijkste instellingen ter wereld voor het onderzoek naar subatomaire deeltjes en fundamentele natuurkunde.
Dit is belangrijk werk, aangezien kwantumfysica en relativiteit de fundamentele wetenschappen zijn geweest achter veel, zo niet de meeste, technologische innovaties van de moderne wereld, waaronder computers, mobiele telefoons, lasers, telecommunicatie, satellieten, MRI, zonnepanelen, geavanceerde microscopen, kernenergie, etc.
Dit komt doordat al deze technologieën een diepgaand begrip vereisen van het gedrag van atomen, elektronen en andere deeltjes op de kleinste schaal. En die zijn allesbehalve intuïtief en gaan veel verder dan het vereenvoudigde model van elektronen die rond de atoomkern draaien. Zelfs het eenvoudigste atoom, waterstof, vereist bijvoorbeeld een complexe vergelijking om te beschrijven hoe zijn elektronen zich werkelijk gedragen.
Bron: Ministerie van Energie
Het CERN is ook een echt mondiaal en internationaal wetenschappelijk initiatief waaruit vele andere ontdekkingen zijn voortgekomen, waaronder het internet zelf.
Ten slotte zijn de bouw, exploitatie en modernisering van de CERN-faciliteiten een belangrijke stimulans geweest voor onderzoek en techniek op veel geavanceerde wetenschappelijke gebieden, 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 “Europese Raad voor Nucleair Onderzoek"waardoor het zijn naam kreeg.
Bron: Wikipedia
Het is niet overdreven om te stellen dat een groot deel van de moderne deeltjesfysica is ontstaan bij CERN, met name:
- De ontdekking van de zwakke bosonen die een van de vier fundamentele krachten overbrengen, leverde hem in 4 de Nobelprijs voor Natuurkunde op.
- De eerste creatie van antiwaterstofatomen.
- De ontdekking van een nieuwe aggregatietoestand: quark-gluonplasma.
- Nobelprijs voor de natuurkunde van 1992 aan een CERN-onderzoeker voor zijn uitvinding en ontwikkeling van deeltjesdetectoren.
- De Nobelprijs voor de natuurkunde van 2013 ging naar onderzoekers van CERN voor de beschrijving en observatie van de Higgs-bosonen (die ervoor zorgen dat deeltjes hun massa krijgen).
Bron: CERN
Tegenwoordig omvat CERN 25 landen als volwaardige leden en 10 geassocieerde leden, wat de eerste stap is voor een potentieel volwaardig lidmaatschap. Hieraan moeten ook de nauwe banden met 3 landen met een waarnemersstatus (Japan, Rusland, VS) en samenwerking of wetenschappelijk contact met bijna elk land op aarde worden toegevoegd.
Bij CERN werken 3,500 mensen, waarvan de grootste groep bestaat uit wetenschappers en ingenieurs, gevolgd door technici. Op de voet gevolgd door iets minder dan honderd onderzoeksfysici.
Bron: CERN
CERN-infrastructuren
Geen van de prestaties van CERN zou mogelijk zijn geweest zonder de eersteklas techniek die is ingezet bij de bouw van de deeltjesversneller en de detectoren.
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 opgesloten in de versneller. Het versnelde deeltje, soms met 99.9% van de lichtsnelheid (299 792 458 meter per seconde / 186,000 mijl per seconde), raakt een andere deeltjesbundel of een vast doelwit.
De extreme snelheid en energie bij deze botsingen zorgen ervoor dat wetenschappers meer te weten kunnen komen over de fundamentele aard van deze deeltjes.
Bron: Ministerie van Energie
Tegenwoordig is de belangrijkste deeltjesversneller van CERN de LHC (Large Hadron Collider), gevestigd in Genève, Zwitserland. De LHC is een ondergrondse tunnel die wel 175 meter (575 voet) diep is en een cirkel vormt met een omtrek van 27 kilometer (17 mijl).
In de toekomst zou dit wel eens in de schaduw kunnen staan van een nog grotere versneller van 90-100 km die onder het Meer van Genève en rondom de stad gaat (hieronder meer hierover).
Bron: Zwitsersetopo
Tegenwoordig exploiteert het CERN, naast de “hoofd” LHC, nog 11 andere deeltjesversnellers voor specifieke onderzoeksbehoeften op het gebied van zwaardere deeltjes, protonen, plasma, onderzoek naar onstabiele kernen, etc. Deze deeltjesversnellers vullen elkaar vaak aan, waarbij veel van hen de benodigde deeltjes in een complex in elkaar grijpend systeem “voeden”.
Bron: CERN
De instelling beschikt bovendien over maar liefst 11 buiten gebruik gestelde deeltjesversnellers en -botsers die sinds de jaren vijftig zijn gebouwd.
CERN-technologie
LHC
De locatie van de LHC diep onder de grond is het gevolg van een combinatie van wetenschappelijke en financiële redenen. Het is goedkoper om een tunnel te graven dan een cirkel van 27 km doorsnede aan land te creëren, vooral in de dure regio Genève. De rotslagen beschermen de faciliteit ook tegen kosmische straling en straling van het aardoppervlak.
Bron: CERN
De LHC is de krachtigste deeltjesversneller ooit 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 3400 TWh en de wereld 20,000 TWh.
De LHC laat 2 deeltjesbundels, die elk bijna de lichtsnelheid bereiken, met elkaar botsen. Ze worden geleid en opgesloten door 9593 supergeleidende elektromagneten gekoeld door vloeibaar helium bij -271.3°C (-456.34°F).
Het grootste deel van het energieverbruik bij de operatie komt voor rekening van de elektromagneten, zowel voor de werking ervan 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 de jaren 2040 in bedrijf blijven. Na een eerste run, waarbij het Higgs-boson werd ontdekt, zijn er momenteel grootschalige upgrades en onderhoudswerkzaamheden gaande ter voorbereiding op de tweede run, die het vermogen van de LHC zal verhogen tot botsingen van 13 TeV (tera-elektronvolt).
Na de ontdekking van het Higgs-boson zal de LHC naar verwachting fundamentele vragen over het heelal helpen beantwoorden, waaronder de rol en aard van de zogenaamde donkere energie en donkere materie.
De extreem hoge energieniveaus die bereikt zijn, zouden ons ook inzicht moeten geven in de vroege fase van het heelal, in een toestand van ‘quark-gluon plasma’.
ATLAS
Een belangrijke aanvulling op de LHS is de ATLAS-deeltjesdetector. Het is de grootste deeltjesdetector ooit 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 te registreren die door de botsingen ontstaan.
Het bevat vele subdetectoren, die elk een aparte rol spelen: ze detecteren tegelijkertijd fotonen, elektronen, muonen, pionen, etc.
Bron: ATLAS
Meer dan 5900 natuurkundigen, ingenieurs, technici, studenten en bestuurders hebben aan de bouw en exploitatie van ATLAS gewerkt. Zij vertegenwoordigen 180 wetenschappelijke instellingen uit meer dan 40 landen.
CERN – Technologieën geboren
Al deze kilometers aan deeltjesversnellers hebben in de loop der tijd veel nuttige technologie voor de mensheid opgeleverd.
Het internet uitvinden
Misschien is het internet wel de technologie met de grootste impact die CERN ooit heeft voortgebracht.
CERN heeft het TCP/IP-protocol voor zijn eigen interne netwerk gecreëerd en het concept van het World Wide Web werd uitgevonden bij CERN door Tim Berners-Lee, die de heeft gemaakt allereerste website (volg de link om te zien hoe het eruit zag).
Oorspronkelijk werd het gezien als een manier voor onderzoekers om gemakkelijker gegevens en ideeën uit te wisselen.
Bron: CERN
In 1993 bood CERN de World Wide Web-software aan de wereld aan als een publiek domein intellectueel eigendom. Het zou ook een pionier worden in grid computing, het proces van het uitvoeren van een berekening via meerdere computers die met elkaar verbonden zijn via het web.
Misschien is het paradoxaal genoeg zo dat een van de grootste bijdragen van CERN, een onderzoeksorganisatie voor deeltjesversnellers, het stimuleren van de vrije uitwisseling van alle kennis, data en software was, in plaats van een experiment op het gebied van kwantumfysica.
medische toepassingen
Een toepassing van het onderzoek van CERN is een beter begrip van deeltjesversnellers. Kleinere versnellers worden nu routinematig gebruikt in ziekenhuizen voor radiotherapie bij kankerbehandelingen. Door voortdurend onderzoek zijn ze in de loop der tijd steeds efficiënter, kleiner en goedkoper geworden.
Een andere bijdrage aan kankertherapie wordt geleverd op het gebied van nucleaire geneeskunde, waarbij zeldzame isotopen worden gebruikt om kankercellen te doden.
Sommige van deze radio-isotopen worden uitsluitend bij CERN geproduceerd.
Medische beeldvorming is een ander vakgebied waarin deeltjesfysica van cruciaal belang is, van röntgenstraling tot MRI, PET-scans en computertomografie (CT).
Verschillende verbeteringen in hadronradiotherapie, evenals medische beeldvormingg, kwamen rechtstreeks uit de sensoren die ontwikkeld zijn voor de ATLAS-deeltjesdetector.
Tijdens de Covid-pandemie heeft CERN een open-sourcetool (COVID Airborne Risk Assessment tool – CARA) ontwikkeld om de virusconcentratie in afgesloten ruimten te modelleren met verschillende parameters, zoals de grootte van de kamer, de tijd die in de kamer wordt doorgebracht, het dragen van maskers, het aantal mensen en de ventilatie.
Energie en groene technologie
CERN werkt samen met Airbus door zijn expertise in te zetten op het gebied van supergeleidende kabels voor mogelijk lichtere vliegtuigen, of zelfs elektrische vliegtuigen.
De ervaring van de instelling met het testen van materiaal bij extreem lage temperaturen is ook nuttig bij het testen van de mogelijkheden van waterstof in het luchtvervoer.
CERN werkt ook nauw samen met ITER, het grootste kernfusieproject ter wereld, die, als het lukt, een onbeperkte voorraad schone energie zou kunnen biedenAls je bedenkt dat kernfusie grotendeels afhankelijk is van ultrakrachtige magneten en supergeleidende materialen, is de overlap met de expertise van CERN duidelijk.
Gegevensverwerking
Wanneer deeltjes worden gedetecteerd, is de flux van data die in microseconden wordt gegenereerd enorm. Problematischer is dat deze 40 terabytes per seconde onmogelijk kunnen worden opgeslagen voor latere verwerking.
Dit heeft ertoe geleid dat de wetenschappers van CERN experts zijn geworden in het ontwerpen van algoritmen die direct kunnen bepalen welke gegevens het meest interessant zijn.
CERN werkt samen met bedrijven als CEVA (sensoren) of ABB-motoren 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 autonome rijsystemen met een lage latentie te ontwikkelen.
Dezelfde principes worden toegepast op drones en robotsystemen in het algemeen, met name bij het bedrijf Terabee.
LUCHT- EN RUIMTEVAART
CERN heeft jarenlange ervaring in de omgang met intense en soms exotische vormen van straling die door haar apparatuur en experimenten worden geproduceerd.
Dit kan worden benut in praktische toepassingen voor stralingsafscherming van satellieten en bemande experimenten in de ruimte, vaak in samenwerking met de Europese Ruimtevaartorganisatie (ESA).
CERN beschikt bijvoorbeeld over de enige installatie op aarde die de extreme stralingsomstandigheden van Jupiter kan nabootsen.
Andere toepassingen
De eis van CERN dat al haar deeltjesdetectoren en -systemen tot op de nanoseconde perfect op elkaar moeten zijn afgestemd, heeft het instituut ook op dit gebied tot een expert gemaakt.
De open-source “CERN-born time-synchronisation” standaarden kunnen worden gebruikt in telecom, financiële markten en kwantumnetwerken. Bijvoorbeeld trading provider Duitse effectenbeurs gebruikt het in de infrastructuur van hun handelssysteem.
Educatie
CERN fungeert ook als educatieve bron voor geavanceerde wetenschappen en natuurkunde.
Dit omvat het gratis aanbieden van een 3D-printbaar model van de apparatuur, verklarende cartoons en stripboeken en lesmateriaal voor leraren.
Tegelijkertijd biedt het gratis zijn eigen flexibele, krachtige, open-source digitale bibliotheekframework aan, dat momenteel wordt gebruikt door bibliotheken, universiteiten en internationale instellingen.
De toewijding van CERN aan het delen van kennis komt ook tot uiting in de spin-offs 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 en prestaties
Hoge lichtsterkte LHC (HL–LHC)
Terwijl de onderzoekers en technici van CERN hard werken om zoveel mogelijk uit de huidige installaties te halen, kijken ze tegelijkertijd al naar de volgende stappen.
De eerste zal de “Hoge helderheid LHC”, of HL–LHC, een upgrade die bedoeld is om de lichtsterkte van de LHC met 10x te verhogen. De High-Luminosity LHC zal bijvoorbeeld minstens 15 miljoen Higgs-bosonen per jaar produceren, vergeleken met ongeveer drie miljoen van de LHC in 2017.
Bron: CERN
De upgrade omvat verbeteringen aan magneten, supergeleidende verbindingen, versterkte bescherming en betere versnellers.
HL-LHC zou halverwege de jaren 2030 operationeel moeten zijn, aangezien de civiele werkzaamheden in april 2018 zijn begonnen, en ontving zijn eerste magneten in december 2024.
Toekomstige Circulaire Collider (FCC)
Na de LHC wordt verwacht dat een gigantisch ontwerp van 90 km de volgende stap zal zijn in de ontwikkeling van deeltjesversnellers, de zogenaamde de toekomstige circulaire versneller (FFC)Het zal worden gebouwd op een gemiddelde diepte van 200 meter (656 voet).
De eerste experimenten zullen 15 jaar duren, te beginnen halverwege de jaren 2040 met de FCC-ee, een elektron-positron collider. Het stroomverbruik van FCC-ee zal naar verwachting variëren tussen 1 en 1.8 TWh/jaar.
Een tweede machine, de FCC-hh, een proton-protonversneller, zou in dezelfde tunnel worden geïnstalleerd. Deze zou in de jaren 2070 in bedrijf worden genomen en meer dan 25 jaar in bedrijf blijven.
Het hele project zal naar verwachting ongeveer CHF15B kosten, verspreid over 15 jaar. De uiteindelijke voltooiing van de haalbaarheidsstudie wordt verwacht in 2025, met een definitief besluit van het CERN-comité in 2027-2028 en de bouw start in de jaren 2030.
De FCC zou deeltjes kunnen onderzoeken die voorspeld zijn door theorieën die verder gaan dan de werkelijkheid. het standaardmodel van de deeltjesfysicawaarvoor gevoeligere detectoren of een krachtigere versnelling nodig zouden zijn.
Dit diepere begrip van de fysica zal waarschijnlijk cruciaal zijn om de prestaties van computers te verbeteren en nieuwe mogelijkheden voor materiaalkunde te openen. En door dit te doen, zal de mensheid een werkelijk geavanceerde beschaving worden die in staat is om door de sterren te navigeren, echte kunstmatige intelligentie te creëren of te genieten van onbeperkte overvloedige energie.
CERN-gerelateerd bedrijf
CEVA
(CEVA )
CEVA is een sensorbedrijf en werkt samen met CERN om het algoritme van de instelling te gebruiken om de efficiëntie en het stroomverbruik van haar sensoren te verbeteren. De oplossingen en intellectuele eigendomsrechten van CEVA (200 patenten) zijn geïntegreerd in 18 miljard apparaten.
De oplossingen van het bedrijf worden door veel toonaangevende elektronicamerken over de hele wereld gebruikt.
Bron: CEVA
De belangrijkste toepassing van de samenwerking tussen CEVA en CERN is “Edge AI”, ofwel kunstmatige intelligentietoepassingen die worden ingezet op apparaten die zich ver van de datacenters (de cloud) en dichter bij de consumenten (de edge) bevinden.
Het is misschien niet verrassend dat algoritmen voor deeltjesfysica opnieuw worden gebruikt in AI-toepassingen, aangezien neurale netwerken bijvoorbeeld werden gebruikt bij het vinden van het Higgs-bosondeeltje. Het analyseren van deeltjesversnellergegevens moet ter plekke worden gedaan in plaats van in de cloud, vanwege de enorme hoeveelheid gegevens die heel snel wordt geproduceerd.
Ceva hielp CERN bij het ontwikkelen van nieuwe compressiealgoritmen die in toekomstige experimenten kunnen worden gebruikt en kan deze nieuwe technologie in haar producten integreren.
“Dankzij onze samenwerking met CERN konden we een innovatieve aanpak ontwikkelen waarmee de netwerken tot 15x sneller kunnen draaien in vergelijking met 16-bits basismodellen.
Het verhoogt de netwerksnelheid en verlaagt het energieverbruik met wel 90%, terwijl de nauwkeurigheid vergelijkbaar blijft.”
Dit is slechts één van de technologische ontwikkelingen van CEVA. Het bedrijf is actief op het gebied van draadloze connectiviteit, sensoren (beeld, geluid, beweging) en algoritmen voor neurale netwerken.
Bron: CEVA
CEVA profiteert enorm van de gecombineerde trend van 5G-connectiviteit (inclusief satelliet-5G) en IoT (Internet of Things) met embedded AI-oplossingen, zowel voor industriële als thuisoplossingen. Het is ook een leider in WiFi 6-oplossingen en heeft een leidende positie in WiFi 7.
Bron: Ruitje
CEVA is als software- en IP-bedrijf bekend en wordt vaak over het hoofd gezien door investeerders die geïnteresseerd zijn in de sectoren IoT en 5G.
Het kan een interessant bedrijf zijn dat zich aan de voorhoede bevindt van de technologische vooruitgang op het gebied van gegevensverwerking en geavanceerde AI. Dat blijkt wel uit het feit dat CERN het bedrijf heeft uitgekozen om te helpen bij een aantal van de meest complexe data-analyses die ooit door de mens zijn uitgevoerd.
