CERN: Forstå partikler for å bygge den moderne verden

CERN som roten til moderne vitenskap

Den europeiske organisasjonen for kjernefysisk forskning, eller CERN, har vært en av de viktigste fasilitetene i verden for studiet av subatomære partikler og grunnleggende fysikk.

Dette er viktig arbeid, da kvantefysikk og relativitetsteori har vært de grunnleggende vitenskapene bak mange, om ikke de fleste, av den moderne verdens teknologiske innovasjoner, inkludert datamaskiner, mobiltelefoner, lasere, telekommunikasjon, satellitter, MR, solcellepaneler, avanserte mikroskoper, kjernekraft, osv.

Dette skyldes at alle disse teknologiene krever en dyp forståelse av atomenes, elektroners og andre partiklers oppførsel på den minste skala. Og disse er langt fra intuitive, og går langt utover den forenklede modellen med elektroner som går i bane rundt atomkjernen. For eksempel krever selv det enkleste mulige atomet, hydrogen, en kompleks ligning for å beskrive hvordan elektronene virkelig oppfører seg.

Kilde: Department of Energy

CERN har også vært et virkelig globalt og internasjonalt vitenskapelig initiativ som har gitt opphav til mange andre oppdagelser, inkludert Internett selv.

Til slutt har bygging, drift og oppgradering av CERN-fasilitetene vært en viktig drivkraft for å styrke forskning og ingeniørkunst i mange avanserte vitenskapsfelt som superledere, sensorer og ultra‑kraftige lasere og magneter.

Ambisiøs vitenskap fra første dag

CERN ble grunnlagt i 1954 av 12 europeiske land, med det franske akronymet “Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire” som ga det navnet.

Kilde: Wikipedia

Det ville ikke være en overdrivelse å si at en stor del av moderne partikkelfysikk ble født i CERN, spesielt:

• Oppdagelsen av de svake bosonene som bærer en av de fire grunnleggende kreftene, ble tildelt Nobelprisen i fysikk i 1984.
• Den første skapelsen av antihydrogenatomer.
• Oppdagelsen av en ny tilstand av materie, kvark‑gluon‑plasma.
• Nobelprisen i fysikk i 1992 til en CERN-forsker for hans oppfinnelse og utvikling av partikkeldetektorer.
• Nobelprisen i fysikk i 2013 til CERN-forskere for beskrivelsen og observasjonen av Higgs‑bosonene (ansvarlige for å gi partikler masse).

Kilde: CERN

I dag involverer CERN 25 land som fullverdige medlemmer og 10 associerte medlemmer, som er første steg før potensiell full medlemskap. Til dette bør også de nære relasjonene med 3 land med observatørstatus (Japan, Russland, USA) og samarbeid eller vitenskapelig kontakt med nesten hvert land på jorden legges til.

CERN sysselsetter direkte 3 500 personer, der den største gruppen består av forskere og ingeniører, etterfulgt av teknikere, med litt under hundre forskningsfysikere i ledelsen.

Kilde: CERN

CERN-infrastrukturer

Ingen av CERNs prestasjoner ville vært mulig uten den verdensklasse ingeniørkunsten som gikk inn i byggingen av partikkelakseleratoren og detektorene.

Partikkelakseleratorer fungerer ved å bevege partikler i et sterkt vakuum, fritt for luft eller støv. Kraftige elektromagneter og elektriske felt akselererer partiklene og holder dem innelåst i akseleratoren. Den akselererte partikkelen, noen ganger med 99,9 % av lysets hastighet (299 792 458 meter per sekund / 186 000 miles per sekund), treffer enten en annen partikkelstråle eller et fast mål.

Den ekstreme hastigheten og energien i disse kollisjonene gjør det mulig for forskere å forstå mer om den grunnleggende naturen til disse partiklene.

Kilde: Department of Energy

I dag er CERNs hovedpartikkelakselerator LHC (Large Hadron Collider), lokalisert i Genève, Sveits. LHC er en underjordisk tunnel så dyp som 175 meter (575 fot), som danner en sirkel på 27 kilometer (17 miles) i omkrets.

I fremtiden kan den bli overskygget av en enda større 90‑100 km akselerator som går under Genèvesjøen og rundt byen (mer om dette nedenfor).

Kilde: Swisstopo

I dag, i tillegg til den “hoved” LHC, driver CERN 11 andre partikkelakseleratorer for spesifikke forskningsbehov på tyngre partikler, protoner, plasma, studier av ustabile kjerner, osv. Disse akseleratorene komplementerer ofte hverandre, med mange som “mater” de nødvendige partiklene inn i de andre i et komplekst sammenkoblet system.

Kilde: CERN

Institusjonen har også ikke færre enn 11 avviklede partikkelakseleratorer og kollisjonsanlegg bygget siden 1950‑tallet.

CERN-teknologi

LHC

LHCs dype underjordiske plassering skyldes en blanding av vitenskapelige og økonomiske årsaker. Det er billigere å grave en tunnel enn å skaffe en sirkel på 27 km i diameter av overflateland, spesielt i det dyre Genève‑området. Lagene av stein beskytter også anlegget mot kosmisk og overfladisk stråling.

Kilde: CERN

LHC er den sterkeste partikkelakseleratoren som noen gang er bygget. Den bruker i gjennomsnitt 600 GWh per år, omtrent halvparten av CERNs totale energiforbruk på 1,3 TWh. For å sette dette i perspektiv, forbruker hele Frankrike 500 TWh, EU 3 400 TWh, og verden 20 000 TWh.

LHC lager 2 partikkelstråler, hver som beveger seg nær lysets hastighet, som kolliderer med hverandre. De blir styrt og innelåst av 9 593 superledende elektromagneter kjølt med flytende helium ved -271,3 °C (-456,34 °F).

De fleste av energiforbruket i driften skyldes elektromagnetene, både for å drive dem og energien som kreves for å produsere denne massive mengden flytende helium.

LHC-mål

LHC utførte sin første kollisjon i 2008 og forventes å kjøre frem til 2040‑årene. Etter en første runde som inkluderte oppdagelsen av Higgs‑bosonet, pågår en massiv oppgradering og vedlikeholdsarbeid for å forberede den andre runden, som vil øke LHCs energinivå til 13 TeV (tera‑elektronvolt) kollisjoner.

Etter oppdagelsen av Higgs‑bosonet forventes LHC å bidra til å besvare grunnleggende spørsmål om universet, inkludert rollen og naturen til den såkalte mørke energien og mørk materie.

De ekstreme energinivåene som nås bør også gi innsikt i universets tidlige fase, i en tilstand av “kvark‑gluon‑plasma”.

ATLAS

Et viktig komplement til LHC er ATLAS-partikkeldetektoren. Den er den største partikkeldetektoren som noen gang er bygget, på 46 meter (150 fot) i lengde og 25 meter (82 fot) i diameter.

Detektorene inneholder over 100 millioner følsomme elektroniske kanaler for å registrere partiklene som produseres i kollisjonene.

Den inneholder mange underdetektorer, hver med en egen rolle, for samtidig å oppdage fotoner, elektroner, myoner, pioner osv.

Kilde: ATLAS

5900 + fysikere, ingeniører, teknikere, studenter og administratorer har jobbet med å bygge og drive ATLAS, og representerer 180 vitenskapelige institusjoner fra over 40 land.

CERN – teknologier født

Alle disse kilometerne med partikkelakseleratorer har over tid gitt menneskeheten mange nyttige teknologier.

Oppfinnelsen av Internett

Kanskje den mest innflytelsesrike teknologien som noen gang har kommet fra CERN var Internett; virkelig.

CERN skapte TCP/IP-protokollen for sitt eget interne nettverk, og konseptet World Wide Web ble oppfunnet på CERN av Tim Berners‑Lee, som laget den aller første nettsiden (følg lenken for å se hvordan den så ut).

Den ble opprinnelig tenkt på som en måte for forskere å utveksle data og ideer lettere.

Kilde: CERN

I 1993 tilbød CERN World Wide Web‑programvaren til verden som immateriell eiendom i det offentlige domene. Det ble også en pioner innen grid‑computing, prosessen med å utføre beregninger gjennom flere datamaskiner koblet sammen via nettet.

Så kanskje paradoksalt, en av de største bidragene fra CERN, en organisasjon for partikkelakseleratorforskning, var å fremme fri utveksling av all kunnskap, data og programvare, i stedet for kun et kvantefysikk‑eksperiment.

Medisinske anvendelser

En anvendelse av CERNs forskning er en dypere forståelse av partikkelakseleratorer. Mindre akseleratorer brukes nå rutinemessig på sykehus for strålebehandling i kreftbehandling. Kontinuerlig forskning har gjort dem stadig mer effektive, mindre og billigere over tid.

Et tillegg til kreftbehandling er innen nukleærmedisin, eller bruk av sjeldne isotoper for å drepe kreftceller.

Siden 2017 har CERN‑MEDICIS‑infrastrukturen produsert innovative radioisotoper spesielt for medisinske anvendelser og levert dem til leger og forskere som kan vurdere deres egnethet for avanserte behandlinger og bildediagnostikk.

Noen av disse radioisotopene produseres kun ved CERN.

Medisinsk bildediagnostikk er et annet felt hvor partikkelfysikk er avgjørende, fra røntgen til MR, PET‑skanninger og datatomografi (CT).

Flere forbedringer innen hadron‑strålebehandling, samt medisinsk bildediagnostikk, kom direkte fra sensorene utviklet for ATLAS‑partikkeldetektoren.

Under Covid‑pandemien utviklet CERN et åpen‑kilde‑verktøy (COVID Airborne Risk Assessment tool – CARA) for å modellere viruskonsentrasjon i lukkede rom med varierende parametere, som romstørrelse, tid tilbrakt i rommet, bruk av munnbind, antall personer og ventilasjon.

Energi og grønn teknologi

CERN har samarbeidet med Airbus ved å tilføre sin ekspertise til superledende kabler for potensielt lettere fly, eller til og med elektriske fly.

Institusjonens erfaring med testing av materialer ved ekstremt lave temperaturer er også nyttig for å teste potensialet til hydrogen i flytransport.

CERN samarbeider også tett med ITER, verdens største fusjonsprosjekt, som kan tilby en ubegrenset mengde ren energi dersom det lykkes. Siden kjernefysisk fusjon i stor grad er avhengig av ultra‑kraftige magneter og superledende materialer, er overlappet med CERNs ekspertise åpenbart.

Databehandling

Når partikler blir oppdaget, er datamengden som genereres i mikrosekunder enorm. Enda mer problematisk er at disse 40 terabyte per sekund ikke kan lagres for senere behandling.

Dette har gjort CERN‑forskerne til eksperter på å designe algoritmer som kan avgjøre hvilke data som er mest interessante i sanntid.

CERN samarbeider med selskaper som CEVA (sensorer) eller ABB Motors for å bruke slike algoritmer til å optimalisere energiforbruket til CERNs fasiliteter og utstyr under utvikling.

Dette brukes også av bil‑sikkerhetsselskapet Zenseact for å utvikle lav‑latens autonome kjøresystemer.

De samme prinsippene blir implementert i droner og robotikksystemer generelt, spesielt med selskapet Terabee.

Romfart

CERN har lang erfaring med å håndtere intense og noen ganger eksotiske former for stråling som produseres av deres utstyr og eksperimenter.

Dette kan utnyttes i praktiske anvendelser for strålingsbeskyttelse av satellitter og bemannede eksperimenter i verdensrommet, ofte i samarbeid med European Space Agency (ESA).

For eksempel har CERN den eneste installasjonen på jorden som kan replikere Jupiters harde strålingsmiljø.

Andre anvendelser

CERNs krav om at alle detektorer og systemer skal være i perfekt synkronisering ned til nanosekund har gjort dem til eksperter på dette feltet også.

De åpen‑kilde‑baserte “CERN‑født tidssynkroniserings”‑standardene kan brukes i telekommunikasjon, finansmarkeder og kvantenettverk. For eksempel bruker handelsleverandøren Deutsche Börse dem i sin handelsinfrastruktur.

Utdanning

CERN fungerer også som en utdanningsressurs for avanserte vitenskaper og fysikk.

Dette inkluderer gratis 3D‑printbare modeller av sitt utstyr, forklarende tegneserier og tegneseriebøker, samt klasseromsmateriale for lærere.

Parallelt tilbyr de gratis sitt eget fleksible, høy‑ytelses, åpen‑kilde‑digitalbibliotek‑rammeverk, i dag brukt av biblioteker, universiteter og globale institusjoner.

CERN vedlikeholder verdens største generelle forskningsdepot, basert på samme digitale bibliotek‑rammeverk. Dette brukervennlige depotet gjør det mulig for forskere fra alle fagfelt å bevare og dele sine forskningsresultater.

Dedikasjonen til CERN for å dele kunnskap viser seg også i spin‑off‑prosjektet Orvium, en publiseringsinfrastruktur for åpen‑kilde og desentraliserte vitenskapelige publikasjoner.

Til slutt tilbyr CERN utdanningsturer av fasilitetene, et lokalt museum og kunstutstillinger.

CERN fremtidige infrastrukturer og prestasjoner

High Luminosity LHC (HL–LHC)

Mens CERN‑forskerne og teknikerne jobber hardt for å få så mye som mulig ut av de nåværende installasjonene, ser de samtidig på neste steg.

Den første vil være «High Luminosity LHC», eller HL–LHC, en oppgradering som har som mål å øke LHCs luminositet med 10 ganger. For eksempel vil High‑Luminosity LHC produsere minst 15 millioner Higgs‑bosoner per år, sammenlignet med rundt tre millioner fra LHC i 2017.

Kilde: CERN

Oppgraderingen vil inkludere forbedringer i magneter, superledende koblinger, forsterket beskyttelse og bedre akseleratorer.

HL–LHC bør være operativ i midten av 2030‑årene, ettersom de sivile byggearbeidene startet i april 2018, og mottok sine første magneter i desember 2024.

Fremtidig sirkulær kollisjonsanordning (FCC)

Etter LHC forventes et gigantisk 90 km design å bli neste steg for partikkelakseleratorer, kalt Future Circular Collider (FCC). Den vil bygges i en gjennomsnittlig dybde på 200 meter (656 fot).

De første eksperimentene vil pågå i 15 år, med start i midten av 2040‑årene med FCC‑ee, en elektron‑positron‑kollider. FCC‑ee‑s energiforbruk forventes å variere mellom 1 og 1,8 TWh/år.

En andre maskin, FCC‑hh, en proton‑proton‑kollider, vil bli installert i samme tunnel og starte på 2070‑tallet og kjøre i mer enn 25 år.

Hele prosjektet forventes å koste rundt CHF 15 milliarder, fordelt over 15 år. Endelig ferdigstillelse av gjennomførbarhetsstudien er forventet i 2025, med en endelig beslutning fra CERN‑komiteen innen 2027‑2028 og bygging som starter på 2030‑tallet.

FCC kan undersøke partikler som er forutsagt av teorier som går utover standardmodellen for partikkelfysikk, noe som vil kreve enten mer følsomme detektorer eller kraftigere akselerasjon.

Denne dypere forståelsen av fysikk vil sannsynligvis være avgjørende for å forbedre ytelsen til datamaskiner og åpne nye muligheter for materialvitenskap. Og ved å gjøre det, tillate menneskeheten å bli en virkelig avansert sivilisasjon som kan navigere stjernene, skape ekte kunstig intelligens, eller nyte ubegrenset, overflod av energi.

CERN-relatert selskap

CEVA

CEVA er et sensorselskap og en partner med CERN for å bruke institusjonens algoritme til å forbedre sensorers effektivitet og energiforbruk. CEVA‑løsninger og IP (200 patenter) er integrert i 18 milliarder enheter.

Bedriftens løsninger brukes av mange av de ledende elektronikkmerkene over hele verden.

Kilde: CEVA

Hovedapplikasjonen av samarbeidet mellom CEVA & CERN er “Edge AI”, eller kunstig intelligens‑applikasjoner som distribueres på enheter borte fra datasentre (skyen) og nærmere forbrukerne (kanten).

Det er kanskje ikke overraskende at partikkelfysikk‑algoritmer blir gjenbrukt i AI‑applikasjoner, ettersom nevrale nettverk for eksempel ble brukt til å finne Higgs‑boson‑partikkelen. Analyse av data fra partikkelakseleratorer må gjøres lokalt i stedet for i skyen, på grunn av den enorme datamengden som produseres svært raskt.

CEVA hjalp CERN med å lage nye kompresjonsalgoritmer som kan brukes i fremtidige eksperimenter og vil kunne integrere denne nye teknologien i sine produkter.

«Takket være vårt samarbeid med CERN klarte vi å utvikle en innovativ tilnærming som gjør at nettverkene kan kjøre opptil 15 ganger raskere sammenlignet med 16‑bits basismodeller.

Den øker nettverkshastigheten og reduserer energiforbruket med opptil 90 % samtidig som den opprettholder sammenlignbar nøyaktighet.»

Olya Sirkin – Senior Deep Learning Researcher hos Ceva

Dette er bare ett av CEVA‑s teknologiske fremskritt, med selskapet aktivt innen trådløs tilkobling, sensorer (syn, lyd, bevegelse) og nevrale nettverks‑algoritmer.

Kilde: CEVA

CEVA drar stor nytte av den kombinerte trenden med 5G‑tilkobling (inkludert satellitt‑5G) og IoT (Internet of Things) med innebygde AI‑løsninger, både for industrielle og hjemme‑løsninger. De er også ledende innen Wi‑Fi 6‑løsninger og har en ledende posisjon innen Wi‑Fi 7.

Kilde: Ruije

Som et programvare‑ og IP‑selskap er CEVA godt kjent og blir ofte oversett av investorer som er interessert i IoT‑ og 5G‑sektorene.

Det kan være et interessant selskap i den aller ytterste kanten av teknologisk fremgang innen databehandling og Edge AI, slik CERNs valg av dem til å hjelpe med noen av de mest komplekse dataanalysene som noen gang er utført av menneskeheten.