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 et av de viktigste anleggene i verden for studiet av subatomære partikler og grunnleggende fysikk.

Dette er viktig arbeid, ettersom kvantefysikk og relativitet 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, atomenergi, etc.

Dette er fordi alle disse teknologiene krever en dyp forståelse av hvordan atomer, elektroner og andre partikler oppfører seg i minste skala. Og disse er så godt som intuitive og går langt utover den forenklede modellen av elektroner som kretser rundt atomkjernen. For eksempel krever selv det enkleste mulige atomet, hydrogen, en kompleks ligning for å beskrive hvordan elektronene faktisk oppfører seg.

kilde: Department of Energy

CERN har også vært et virkelig globalt og internasjonalt vitenskapelig initiativ som mange andre oppdagelser, inkludert Internett selv, har sprunget ut fra.

Til slutt har byggingen, driften og oppgraderingen av CERN-fasilitetene vært en viktig drivkraft for å øke forskning og ingeniørarbeid innen mange avanserte vitenskapelige felt som superledere, sensorer og ultrakraftige lasere og magneter.

Ambisiøs vitenskap fra dag én

CERN ble grunnlagt i 1954 av 12 europeiske land, med det franske akronymet "European Council for Nuclear Research" gir den navnet sitt.

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 4 grunnleggende kreftene, ble tildelt 1984 Fysikk Nobelprisen.
• Den første etableringen av antihydrogenatomer.
• Oppdagelsen av en ny materietilstand, kvark-gluonplasma.
• Nobelprisen i fysikk fra 1992 til en CERN-forsker for hans oppfinnelse og utvikling av partikkeldetektorer.
• Nobelprisen i fysikk i 2013 til CERN-forskere for beskrivelse og observasjon av Higgs-bosonene (ansvarlig for å gi partiklene deres masse).

kilde: CERN

I dag involverer CERN 25 land som fullverdige medlemmer og 10 assosierte medlemmer, som er første steg før potensielt fullt medlemskap. Til disse bør også legges det nære forholdet til 3 land med observatørstatus (Japan, Russland, USA) og samarbeid eller vitenskapelig kontakt med nesten alle land på jorden.

CERN sysselsetter direkte 3,500 personer, den største gruppen består av forskere og ingeniører, etterfulgt av teknikere som følger ledelsen og har innsikt litt under hundre forskningsfysikere.

kilde: CERN

CERN Infrastructures

Ingen av CERNs prestasjoner ville vært mulige uten den førsteklasses ingeniørkunsten som ligger bak byggingen av partikkelakseleratoren og detektorene.

Partikkelakseleratorer fungerer ved å flytte partikler i et sterkt vakuum, fri for luft eller støv. Kraftige elektromagneter og elektriske felt akselererer partiklene og holder dem innesperret i akseleratoren. Den akselererte partikkelen, noen ganger med 99.9 % av lysets hastighet (299 792 458 meter per sekund / 186,000 XNUMX miles per sekund), treffer enten en annen partikkelstråle eller et fast mål.

Den ekstreme hastigheten og energien i disse kollisjonene lar forskere forstå mer om den grunnleggende naturen til disse partiklene.

kilde: Department of Energy

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

I fremtiden kan den bli overskygget av en enda større 90-100 km gasspedal som går under Genèvesjøen og hele byen (mer om det nedenfor).

kilde: Swisstopo

I dag, på toppen av "hoved" LHC, driver CERN 11 andre partikkelakseleratorer for spesifikke forskningsbehov på tyngre partikler, protoner, plasma, studier av ustabile kjerner osv. Disse partikkelakseleratorene utfyller ofte hverandre, med mange "mating" de nødvendige partiklene inn i de andre i et komplekst sammenlåsingssystem.

kilde: CERN

Institusjonen har også ikke mindre enn 11 utrangerte partikkelakseleratorer og kollidere bygget siden 1950-tallet.

CERN-teknologi

LHC

LHCs dype underjordiske plassering skyldtes en blanding av vitenskapelige og økonomiske årsaker. Det er billigere å grave en tunnel enn å anskaffe en sirkel med en diameter på 27 km på overflaten, spesielt i den dyre Genève-regionen. Berglagene beskytter også anlegget mot kosmisk og overflatestråling.

kilde: CERN

LHC er den sterkeste partikkelakseleratoren som noensinne er bygget. Den forbruker i gjennomsnitt 600 GWh per år, omtrent halvparten av CERNs totale energiforbruk på 1.3 TWh. For å sette det i perspektiv forbruker hele Frankrike 500 TWh, EU 3400 TWh og verden 20,000 XNUMX TWh.

LHC får 2 partikkelstråler, som hver beveger seg nær lysets hastighet, til å kollidere med hverandre. De blir veiledet og innesperret av 9593 superledende elektromagneter avkjølt med flytende helium ved -271.3°C (-456.34°F).

Det meste av energiforbruket til operasjonen skyldes elektromagnetene, både for å betjene dem og energiområdet for å produsere denne enorme mengden flytende helium.

LHC mål

LHC utførte sin første kollisjon i 2008 og forventes å vare frem til 2040-tallet. Etter en første omgang, inkludert oppdagelsen av Higgs-bosonet, pågår det et massivt oppgraderings- og vedlikeholdsarbeid for å forberede den andre omgangen, som vil øke LHCs effektnivåer til 13 TeV (teraelektronvolt) kollisjoner.

Etter oppdagelsen av Higgs-bosonet, forventes LHC å hjelpe til med å svare på grunnleggende spørsmål om universet, inkludert rollen og naturen til den såkalte mørke energien og mørk materie.

De ekstreme energinivåene som nås bør også gi oss innsikt i det tidlige stadiet av universet, i en tilstand av "kvark-gluon plasma".

ATLAS

Et sentralt komplement til LHS er ATLAS-partikkeldetektoren. Det er den største partikkeldetektoren som noen gang er bygget, på 46 meter (150 fot) lang og 25 meter (82 fot) i diameter.

Detektorene inneholder over 100 millioner sensitive elektroniske kanaler for å registrere partiklene produsert av kollisjonene.

Den inneholder mange underdetektorer, som hver spiller en egen rolle, for å oppdage samtidig fotoner, elektroner, myoner, pioner, etc.

kilde: ATLAS

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

CERN – Technologies Born

Alle disse kilometerne med partikkelakseleratorer har gitt mye nyttig teknologi til menneskeheten over tid.

Oppfinner Internett

Kanskje den mest virkningsfulle teknologien som noen gang har kommet ut av CERN var Internett; virkelig.

CERN opprettet TCP/IP-protokollen for sitt eget interne nettverk, og konseptet World Wide Web ble oppfunnet ved CERN av Tim Berners-Lee, som har laget aller første nettside (følg linken for å se hvordan det så ut).

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

kilde: CERN

I 1993 tilbød CERN World Wide Web-programvaren til verden som en offentlig åndsrett. Det ville også være en pioner innen grid computing, prosessen med å utføre en beregning gjennom flere datamaskiner koblet sammen med nettet.

Så kanskje paradoksalt nok, var et av de største bidragene til CERN, en partikkelakseleratorforskningsorganisasjon, å øke den frie utvekslingen av all kunnskap, data og programvare, i stedet for et kvantefysikkeksperiment.

Medisinske applikasjoner

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

Et tilleggsbidrag 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 applikasjoner og gitt dem til leger og forskere som kan vurdere deres egnethet for avansert behandling og bildebehandling.

Noen av disse radioisotopene er unikt produsert ved CERN.

Medisinsk bildediagnostikk er et annet felt der partikkelfysikk er avgjørende, fra røntgen til MR, PET-skanning og computertomografi (CT).

Flere forbedringer i hadron strålebehandling, så vel som medisinsk imaginasjong, kom direkte fra sensorene utviklet for ATLAS-partikkeldetektoren.

Under Covid-pandemien utviklet CERN et åpen kildekodeverktøy (COVID Airborne Risk Assessment Tool – CARA) for å modellere viruskonsentrasjon i lukkede rom med varierende parametere, som romstørrelse, tid brukt i rommet, maskebruk, antall personer og ventilasjon.

Energi og grønn teknologi

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

Instituttets erfaring med å teste materiale ved ekstremt lave temperaturer er også nyttig for å teste potensialet til hydrogen i flytransport.

CERN samarbeider også tett med ITER, verdens største kjernefysiske fusjonsprosjekt, som kan tilby en ubegrenset tilgang på ren energi hvis det lykkesMed tanke på at kjernefusjon i stor grad er avhengig av ultrakraftige magneter og superledermaterialer, er overlappingen med CERNs ekspertise åpenbar.

Databehandling

Når partikler blir oppdaget, er fluksen av data generert i mikrosekunder enorm. Mer problematisk, disse 40 terabyte per sekund kan umulig lagres for senere behandling.

Dette har ført til at CERN-forskerne har blitt eksperter på å designe algoritmer som er i stand til å avgjøre hvilke av dataene som er av de mest interessante dataene i farten.

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

Denne brukes også av bilsikkerhetsselskapet Zenseact å utvikle autonome kjøresystemer med lav latens.

De samme prinsippene blir distribuert til droner og robotsystemer generelt, spesielt med selskapet Terabee.

Aerospace

CERN har lang erfaring med å håndtere intense og noen ganger eksotiske former for stråling produsert av utstyret og eksperimentene.

Dette kan utnyttes i praktiske applikasjoner for strålingsskjerming av satellitter og bemannede eksperimenter i rommet, ofte i samarbeid med European Space Agency (ESA).

For eksempel har CERN den eneste installasjonen på jorden som er i stand til å gjenskape Jupiters harde strålingsmiljø.

Andre applikasjoner

CERNs krav om at alle partikkeldetektorene og systemene deres skal være perfekt synkronisert ned til nanosekundet har også gjort dem til eksperter på dette feltet.

Åpen kildekode "CERN-born time-synchronisation"-standarder kan brukes i telekom, finansmarkeder og kvantenettverk. For eksempel handelsleverandør Tysk børs bruker det i deres handelssysteminfrastruktur.

Utdanning

CERN fungerer også som en pedagogisk ressurs for avanserte vitenskaper og fysikk.

Dette inkluderer å tilby gratis en 3D-utskrivbar modell av utstyret, forklarende tegneserier og tegneserier og klasseromsmateriell for lærere.

Parallelt gir det gratis sitt eget fleksible, høyytelsesrammeverk for digitalt bibliotek med åpen kildekode, som i dag brukes av biblioteker, universiteter og globale institusjoner.

CERN opprettholder verdens største forskningsdepot for generell bruk, basert på det samme digitale bibliotekrammeverket. Dette brukervennlige depotet gjør det mulig for forskere fra alle felt å bevare og dele forskningsresultatene sine.

CERNs dedikasjon til å dele kunnskap manifesterer seg også i spin-offen Orvium, en publiseringsinfrastruktur for åpen kildekode og desentraliserte vitenskapelige publikasjoner.

Til slutt tilbyr CERN pedagogiske omvisninger i fasilitetene, et lokalt museum og kunstutstillinger.

CERN Future Infrastructures & Achievements

Høy lysstyrke LHC (HL–LHC)

Mens CERN-forskerne og -teknikerne jobber hardt for å få mest mulig ut av de nåværende installasjonene, ser de samtidig til neste steg.

Den første vil være "High Luminosity LHC", eller HL–LHC, en oppgradering som har til hensikt å øke lysstyrken til LHC med 10x. 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, superlederkoblinger, forsterket beskyttelse og bedre akseleratorer.

HL–LHC skal være i drift på midten av 2030-tallet, ettersom anleggsarbeidet startet i april 2018, og mottok sine første magneter i desember 2024.

Future Circular Collider (FCC)

Etter LHC forventes en gigantisk design på 90 km å være neste trinn for partikkelakseleratorer, kalt Future Circular Collider (FFC). Den vil bli bygget på en gjennomsnittlig dybde på 200 meter (656 fot).

De første eksperimentene vil pågå i 15 år, og starter på midten av 2040-tallet med FCC-ee, en elektron-positron kolliderer. FCC-ees strømforbruk forventes å variere mellom 1 og 1.8 TWh/år.

En annen maskin, FCC-hh, en proton-protonkolliderer, ville bli installert i samme tunnel og starte på 2070-tallet og kjøre i mer enn 25 år.

Hele prosjektet forventes å koste rundt CHF15B, fordelt over 15 år. Endelig ferdigstillelse av mulighetsstudien forventes i 2025, med endelig vedtak i CERN-komiteen innen 2027-2028 og byggestart på 2030-tallet.

FCC kunne undersøke partikler spådd av teorier som går utover standardmodellen for partikkelfysikk, som ville 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, lar menneskeheten bli en virkelig avansert sivilisasjon som er i stand til å navigere stjernene, skape ekte kunstig intelligens eller nyte ubegrenset rikelig energi.

CERN-relatert selskap

CEVA

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

Bedriftsløsningene brukes av mange av de ledende elektroniske merkene over hele verden.

kilde: CEVA

Hovedapplikasjonen for samarbeidet mellom CEVA og CERN er "Edge AI", eller kunstig intelligens-applikasjoner distribuert på enheter borte fra datasentrene (skyen) og nærmere forbrukerne (kanten).

Det er kanskje ikke overraskende å se partikkelfysikkalgoritmer bli gjenbrukt i AI-applikasjoner, ettersom nevrale nettverk for eksempel ble brukt til å finne Higgs-bosonpartikkelen. Analysering av partikkelakseleratordata må gjøres på stedet i stedet for i skyen, på grunn av det store datavolumet som produseres veldig raskt.

Ceva hjalp CERN med å lage nye komprimeringsalgoritmer som kan brukes i fremtidige eksperimenter og vil kunne integrere denne nye teknologien i produktene sine.

"Takket være vårt samarbeid med CERN var vi i stand til å utvikle en innovativ tilnærming som gjør at nettverkene kan kjøre opptil 15 ganger raskere sammenlignet med 16-bits grunnlinjemodeller.

Det forbedrer nettverkshastigheten og reduserer energiforbruket med opptil 90 %, samtidig som det opprettholder sammenlignbar nøyaktighet.»

Olya Sirkin – Senior Deep Learning Researcher ved Ceva

Dette er bare ett eksempel på CEVAs teknologiske fremskritt, med selskapet aktivt innen trådløs tilkobling, sensorer (visjon, lyd, bevegelse) og nevrale nettverksalgoritmer.

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 industri- og hjemmeløsninger. Det er også ledende innen WiFi 6-løsninger og har en ledende posisjon innen WiFi 7.

kilde: Ruije

Som et programvare- og IP-selskap er CEVA velkjent og blir ofte savnet av investorer som er interessert i IoT- og 5G-sektorene.

Det kan bli et interessant selskap helt i forkant av den teknologiske utviklingen innen databehandling og edge AI, noe som illustreres av CERNs valg av det til å hjelpe med noen av de mest komplekse dataanalysene menneskeheten noensinne har utført.