Megaprojekty
CERN: Zrozumienie cząstek w celu zbudowania współczesnego świata
Securities.io utrzymuje rygorystyczne standardy redakcyjne i może otrzymywać wynagrodzenie z przeglądanych linków. Nie jesteśmy zarejestrowanym doradcą inwestycyjnym i nie jest to porada inwestycyjna. Zapoznaj się z naszymi ujawnienie informacji o stowarzyszeniu.
CERN jako źródło współczesnej nauki
Europejska Organizacja Badań Jądrowych, czyli CERN, to jedna z najważniejszych placówek na świecie zajmujących się badaniem cząstek subatomowych i fizyki fundamentalnej.
Jest to ważna praca, ponieważ fizyka kwantowa i teoria względności stanowią podstawowe nauki, na których opiera się wiele, jeśli nie większość, innowacji technologicznych współczesnego świata, w tym komputery, telefony komórkowe, lasery, telekomunikacja, satelity, MRI, panele słoneczne, zaawansowane mikroskopy, energia jądrowa itp.
Dzieje się tak, ponieważ wszystkie te technologie wymagają dogłębnego zrozumienia zachowania atomów, elektronów i innych cząstek w najmniejszej skali. A te są niemal intuicyjne i wykraczają daleko poza uproszczony model elektronów krążących wokół jądra atomu. Na przykład, nawet najprostszy możliwy atom, wodór, wymaga złożonego równania, aby opisać, jak naprawdę zachowują się jego elektrony.
Źródło: Departament Energii
CERN stał się również prawdziwie globalną i międzynarodową inicjatywą naukową, z której zrodziło się wiele innych odkryć, łącznie z samym Internetem.
Wreszcie, budowa, eksploatacja i modernizacja obiektów CERN stały się głównymi czynnikami napędzającymi rozwój badań naukowych i inżynierii w wielu zaawansowanych dziedzinach nauki, takich jak nadprzewodniki, czujniki oraz niezwykle silne lasery i magnesy.
Ambitna nauka od pierwszego dnia
CERN zostało założone w 1954 roku przez 12 krajów europejskich, a jego nazwa pochodzi od francuskiego akronimu „Europejska Rada Badań Jądrowych”dając mu nazwę.
Źródło: Wikipedia
Nie będzie przesadą stwierdzenie, że duża część współczesnej fizyki cząstek elementarnych narodziła się w CERN, a w szczególności:
- Odkrycie słabych bozonów, będących nośnikami jednej z czterech oddziaływań podstawowych, zostało nagrodzone Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 4 roku.
- Pierwsze utworzenie atomów antywodoru.
- Odkrycie nowego stanu materii: plazmy kwarkowo-gluonowej.
- Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki w 1992 r. przyznana badaczowi z CERN za wynalezienie i rozwój detektorów cząstek.
- Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki w 2013 r. dla naukowców z CERN za opisanie i obserwację bozonów Higgsa (odpowiedzialnych za nadawanie cząstkom masy).
Źródło: CERN
Obecnie CERN skupia 25 krajów jako pełnoprawnych członków i 10 członków stowarzyszonych, co jest pierwszym krokiem przed potencjalnym pełnym członkostwem. Do tego należy dodać bliskie relacje z 3 krajami o statusie obserwatora (Japonia, Rosja, USA) oraz współpracę lub kontakty naukowe z niemal każdym krajem na Ziemi.
CERN zatrudnia bezpośrednio 3,500 osób, przy czym najliczniejszą grupę stanowią naukowcy i inżynierowie, następnie technicy, a nieco poniżej stu fizyków-badaczy dzieli się swoimi spostrzeżeniami.
Źródło: CERN
Infrastruktura CERN
Żadne z osiągnięć CERN-u nie byłoby możliwe bez inżynierii światowej klasy, która została włożona w budowę akceleratora cząstek i detektorów.
Akceleratory cząstek działają poprzez przemieszczanie cząstek w silnej próżni, wolnej od powietrza i pyłu. Potężne elektromagnesy i pola elektryczne przyspieszają cząstki i utrzymują je w akceleratorze. Przyspieszona cząstka, czasami z prędkością równą 99.9% prędkości światła (299 792 458 metrów na sekundę / 186,000 XNUMX mil na sekundę), uderza albo w inną wiązkę cząstek, albo w nieruchomy cel.
Ekstremalna prędkość i energia w tych zderzeniach pozwalają naukowcom lepiej zrozumieć podstawową naturę tych cząstek.
Źródło: Departament Energii
Obecnie głównym akceleratorem cząstek CERN jest LHC (Large Hadron Collider), znajdujący się w Genewie w Szwajcarii. LHC to podziemny tunel o głębokości 175 metrów (575 stóp), tworzący okrąg o obwodzie 27 kilometrów (17 mil).
W przyszłości może zostać przyćmiona przez jeszcze większy, 90-100-kilometrowy akcelerator przebiegający pod Jeziorem Genewskim i wokół miasta (więcej szczegółów poniżej).
Źródło: Szwajcarsko
Obecnie, oprócz „głównego” LHC, CERN obsługuje 11 innych akceleratorów cząstek, które odpowiadają konkretnym potrzebom badawczym dotyczącym cięższych cząstek, protonów, plazmy, badań niestabilnych jąder atomowych itd. Te akceleratory cząstek często się uzupełniają, przy czym wiele z nich „podaje” wymagane cząstki innym w złożonym, powiązanym systemie.
Źródło: CERN
Instytucja ta posiada również nie mniej niż 11 wycofanych z eksploatacji akceleratorów i zderzaczy cząstek wybudowanych od lat 1950. XX wieku.
Technologia CERN
LHC
Lokalizacja LHC głęboko pod ziemią wynikała z połączenia przesłanek naukowych i finansowych. Wykopanie tunelu jest tańsze niż zakup okręgu o średnicy 27 km na powierzchni, zwłaszcza w drogim regionie Genewy. Warstwy skał chronią również obiekt przed promieniowaniem kosmicznym i powierzchniowym.
Źródło: CERN
LHC to najsilniejszy akcelerator cząstek, jaki kiedykolwiek zbudowano. Zużywa średnio 600 GWh rocznie, czyli około połowę całkowitego zużycia energii przez CERN, wynoszącego 1.3 TWh. Dla porównania, cała Francja zużywa 500 TWh, UE 3400 TWh, a świat 20,000 XNUMX TWh.
LHC sprawia, że 2 wiązki cząstek, z których każda porusza się z prędkością bliską prędkości światła, zderzają się ze sobą. Są one kierowane i ograniczone przez 9593 elektromagnesy nadprzewodzące chłodzone ciekłym helem w temperaturze -271.3°C (-456.34°F).
Większość energii zużywanej w trakcie tej operacji przypada na elektromagnesy, zarówno te służące ich uruchomieniu, jak i na energię zużywaną w celu wytworzenia tej ogromnej ilości ciekłego helu.
Cele LHC
LHC przeprowadził swoją pierwszą kolizję w 2008 roku i oczekuje się, że będzie działać do lat 2040. XXI wieku. Po pierwszej próbie, która zakończyła się odkryciem bozonu Higgsa, trwają intensywne prace modernizacyjne i konserwacyjne, aby przygotować się do drugiej próby, która zwiększy moc zderzeń LHC do 13 TeV (teraelektronowoltów).
Oczekuje się, że po odkryciu bozonu Higgsa LHC pomoże odpowiedzieć na fundamentalne pytania dotyczące Wszechświata, w tym na temat roli i natury tzw. ciemnej energii i ciemnej materii.
Osiągnięte ekstremalne poziomy energii powinny nam również dać wgląd w wczesną fazę istnienia Wszechświata, w stanie „plazmy kwarkowo-gluonowej”.
ATLAS
Kluczowym uzupełnieniem LHS jest detektor cząstek ATLAS. Jest to największy detektor cząstek, jaki kiedykolwiek zbudowano, o długości 46 metrów (150 stóp) i średnicy 25 metrów (82 stóp).
Detektory zawierają ponad 100 milionów czułych kanałów elektronicznych służących do rejestrowania cząstek powstających w wyniku zderzeń.
Zawiera wiele poddetektorów, z których każdy odgrywa odrębną rolę, umożliwiając jednoczesną detekcję fotonów, elektronów, mionów, pionów itd.
Źródło: ATLAS
Nad budową i obsługą systemu ATLAS pracowało ponad 5900 fizyków, inżynierów, techników, studentów i administratorów, reprezentujących 180 instytucji naukowych z ponad 40 krajów.
CERN – Narodziny technologii
Wszystkie te kilometry akceleratorów cząstek z biegiem czasu przyniosły ludzkości wiele przydatnych technologii.
Wynalezienie Internetu
Być może najbardziej wpływową technologią, jaka kiedykolwiek wyszła z CERN, był Internet. Tak naprawdę.
CERN stworzył protokół TCP/IP dla swojej własnej sieci wewnętrznej i Koncepcję World Wide Web wymyślił w CERN Tim Berners-Lee, kto zrobił pierwsza strona internetowa (kliknij link, żeby zobaczyć jak to wygląda).
Początkowo uważano, że będzie to sposób na łatwiejszą wymianę danych i pomysłów między naukowcami.
Źródło: CERN
W 1993 r. CERN zaoferował światu oprogramowanie World Wide Web jako własność intelektualną domeny publicznej. Byłby również pionierem w dziedzinie obliczeń sieciowych, czyli procesu wykonywania obliczeń za pomocą wielu komputerów połączonych siecią.
Więc może paradoksalnie, jednym z największych osiągnięć CERN, organizacji zajmującej się badaniami nad akceleratorami cząstek, było zwiększenie swobodnej wymiany wiedzy, danych i oprogramowania, zamiast przeprowadzania eksperymentów z zakresu fizyki kwantowej.
Zastosowania medyczne
Jednym z zastosowań badań CERN jest głębsze zrozumienie akceleratorów cząstek. Mniejsze akceleratory są obecnie rutynowo stosowane w szpitalach do radioterapii w leczeniu raka. Ciągłe badania sprawiły, że z czasem stają się one coraz bardziej wydajne, mniejsze i tańsze.
Dodatkowy wkład w terapię nowotworów stanowi medycyna nuklearna, czyli wykorzystanie rzadkich izotopów do niszczenia komórek nowotworowych.
Niektóre z tych radioizotopów są produkowane w unikalny sposób w CERN.
Obrazowanie medyczne to kolejna dziedzina, w której fizyka cząstek elementarnych odgrywa kluczową rolę – od zdjęć rentgenowskich po rezonans magnetyczny, skany PET i tomografię komputerową (TK).
Kilka udoskonaleń w radioterapii hadronowej, a także w obrazowaniu medycznymg, pochodziło bezpośrednio z czujników opracowanych dla detektora cząstek ATLAS.
W trakcie pandemii COVID-19 CERN opracowało narzędzie typu open source (COVID Airborne Risk Assessment tool – CARA) służące do modelowania stężenia wirusa w zamkniętych przestrzeniach przy różnych parametrach, takich jak wielkość pomieszczenia, czas spędzony w pomieszczeniu, noszenie masek, liczba osób i wentylacja.
Energia i zielona technologia
CERN współpracuje z firmą Airbus, wykorzystując swoją wiedzę specjalistyczną w zakresie nadprzewodzących kabli, które mogą być wykorzystywane w lżejszych samolotach, a nawet samolotach elektrycznych.
Doświadczenie tej instytucji w testowaniu materiałów w ekstremalnie niskich temperaturach przydaje się również przy badaniu potencjału wodoru w transporcie lotniczym.
CERN ściśle współpracuje również z ITER, największym na świecie projektem fuzji jądrowej, który, jeśli się powiedzie, może zapewnić nieograniczone źródło czystej energiiBiorąc pod uwagę, że fuzja jądrowa opiera się głównie na wykorzystaniu niezwykle silnych magnesów i materiałów nadprzewodzących, oczywiste jest pokrywanie się z wiedzą specjalistyczną CERN.
Przetwarzanie danych
Gdy wykrywane są cząstki, strumień danych generowanych w mikrosekundach jest ogromny. Bardziej problematyczne jest to, że tych 40 terabajtów na sekundę nie da się w żaden sposób zapisać do późniejszego przetworzenia.
Dzięki temu naukowcy z CERN stali się ekspertami w projektowaniu algorytmów, które są w stanie na bieżąco decydować, które dane są najciekawsze.
CERN współpracuje z takimi firmami jak CEVA (czujniki) lub Silniki ABB aby wykorzystać takie algorytmy do optymalizacji zużycia energii w obiektach CERN i w urządzeniach będących na etapie rozwoju.
Z tego rozwiązania korzysta również firma zajmująca się bezpieczeństwem samochodów Zenseact w celu opracowania autonomicznych systemów napędowych o niskim opóźnieniu.
Te same zasady są wdrażane w dronach i systemach robotyki w ogóle, zwłaszcza w firmie Terabee.
Lotnictwo
CERN ma wieloletnie doświadczenie w radzeniu sobie z silnymi i czasami egzotycznymi formami promieniowania wytwarzanego przez jego sprzęt i eksperymenty.
Rozwiązanie to można wykorzystać w praktyce do ekranowania satelitów przed promieniowaniem oraz do przeprowadzania załogowych eksperymentów w kosmosie, często we współpracy z Europejską Agencją Kosmiczną (ESA).
Przykładowo CERN posiada jedyną na Ziemi instalację zdolną odtworzyć trudne warunki radiacyjne Jowisza.
Inne aplikacje
Wymagania CERN dotyczące doskonałej synchronizacji wszystkich detektorów i systemów cząstek z dokładnością do nanosekundy uczyniły tę placówkę ekspertem również w tej dziedzinie.
Otwarte standardy „synchronizacji czasu CERN-born” mogą być używane w telekomunikacji, na rynkach finansowych i w sieciach kwantowych. Na przykład dostawcy usług handlowych Niemiecka giełda papierów wartościowych wykorzystuje go w infrastrukturze swojego systemu transakcyjnego.
Wykształcenie
CERN pełni również rolę ośrodka edukacyjnego w zakresie zaawansowanych nauk ścisłych i fizyki.
Obejmuje to zapewnienie bezpłatnego model wyposażenia do druku 3D, komiksy i książki objaśniające oraz materiały dydaktyczne dla nauczycieli.
Równocześnie udostępnia bezpłatnie własny, elastyczny i wydajny system bibliotek cyfrowych oparty na otwartym kodzie źródłowym, z którego korzystają obecnie biblioteki, uniwersytety i instytucje globalne.
Zaangażowanie CERN w dzielenie się wiedzą przejawia się również w jego działalności pobocznej Orvium, infrastruktura wydawnicza dla publikacji naukowych o otwartym kodzie źródłowym i zdecentralizowanych.
Ponadto CERN oferuje wycieczki edukacyjne po ośrodkach, lokalnym muzeum i wystawach sztuki.
Przyszłe infrastruktury i osiągnięcia CERN
LHC o wysokiej jasności (HL–LHC)
Podczas gdy naukowcy i technicy CERN ciężko pracują, aby jak najlepiej wykorzystać obecne instalacje, jednocześnie zastanawiają się nad kolejnymi krokami.
Pierwszym z nich będzie „LHC o wysokiej jasności” lub HL–LHC, modernizacja mająca na celu zwiększenie jasności LHC o 10x. Na przykład, High-Luminosity LHC będzie produkować co najmniej 15 milionów bozonów Higgsa rocznie, w porównaniu do około trzech milionów z LHC w 2017 roku.
Źródło: CERN
Modernizacja będzie obejmować udoskonalenie magnesów, połączeń nadprzewodzących, wzmocnioną ochronę i lepsze akceleratory.
HL–LHC powinien być gotowy do działania w połowie lat 2030. XXI wieku, ponieważ prace inżynieryjne rozpoczęły się w kwietniu 2018 r., a otrzymało pierwsze magnesy w grudniu 2024 r..
Przyszły Zderzacz Kołowy (FCC)
Po LHC kolejnym krokiem w rozwoju akceleratorów cząstek, nazywanych Przyszły Kołowy Zderzacz (FFC). Będzie on budowany na średniej głębokości 200 metrów (656 stóp).
Pierwsze eksperymenty potrwają 15 lat, zaczynając od połowy lat 2040. XXI wieku z FCC-ee, zderzaczem elektronowo-pozytonowym. Oczekuje się, że zużycie energii przez FCC-ee będzie się wahać od 1 do 1.8 TWh/rok.
Drugie urządzenie, FCC-hh, czyli zderzacz protonów, zostanie zainstalowane w tym samym tunelu. Jego uruchomienie planowane jest na lata 2070. XXI wieku, a jego działanie ma potrwać ponad 25 lat.
Oczekuje się, że cały projekt będzie kosztował około 15 mld CHF i rozłożony na 15 lat. Ostateczne zakończenie studium wykonalności spodziewane jest w 2025 r., ostateczna decyzja komitetu CERN w latach 2027–2028, a budowa rozpocznie się w latach 2030. XXI wieku.
FCC mogłaby badać cząsteczki przewidziane przez teorie wykraczające poza standardowy model fizyki cząstek elementarnych, co wymagałoby albo bardziej czułych detektorów, albo mocniejszego przyspieszenia.
To głębsze zrozumienie fizyki prawdopodobnie będzie kluczowe dla poprawy wydajności komputerów i otwarcia nowych możliwości dla nauk materiałowych. A czyniąc to, umożliwi ludzkości stanie się prawdziwie zaawansowaną cywilizacją zdolną do nawigacji gwiazd, tworzenia prawdziwej sztucznej inteligencji lub cieszenia się nieograniczoną obfitością energii.
Firma powiązana z CERN
CEVA
(CEVA )
CEVA to firma produkująca czujniki, która współpracuje z CERN, aby wykorzystać algorytm instytucji do poprawy wydajności i zużycia energii czujników. Rozwiązania CEVA i własność intelektualna (200 patentów) są zintegrowane w 18 miliardach urządzeń.
Z rozwiązań naszej firmy korzysta wiele wiodących marek elektronicznych na całym świecie.
Źródło: CEVA
Głównym zastosowaniem współpracy CEVA i CERN jest „Edge AI”, czyli aplikacje sztucznej inteligencji wdrażane na urządzeniach oddalonych od centrów danych (chmura) i bliżej konsumentów (brzeg).
Nie powinno dziwić, że algorytmy fizyki cząstek są ponownie wykorzystywane w aplikacjach AI, tak jak sieci neuronowe były używane na przykład do znajdowania bozonu Higgsa. Analizowanie danych z akceleratora cząstek musi odbywać się na miejscu, a nie w chmurze, ze względu na ogromną ilość danych generowanych bardzo szybko.
Ceva pomogła CERN w opracowaniu nowych algorytmów kompresji, które mogą być wykorzystane w przyszłych eksperymentach, i będzie mogła zintegrować tę nową technologię ze swoimi produktami.
„Dzięki współpracy z CERN udało nam się opracować innowacyjne podejście, które umożliwia sieciom działanie nawet 15 razy szybciej w porównaniu z 16-bitowymi modelami bazowymi.
Zwiększa prędkość sieci i zmniejsza zużycie energii nawet o 90% przy zachowaniu porównywalnej dokładności.”
Olya Sirkin – starsza badaczka głębokiego uczenia się w Ceva
To tylko jeden z przykładów postępu technologicznego firmy CEVA, działającej w obszarze łączności bezprzewodowej, czujników (wizji, dźwięku, ruchu) i algorytmów sieci neuronowych.
Źródło: CEVA
CEVA w dużym stopniu korzysta z połączonego trendu łączności 5G (w tym satelitarnej 5G) i IoT (Internetu Rzeczy) z wbudowanymi rozwiązaniami AI, zarówno dla rozwiązań przemysłowych, jak i domowych. Jest również liderem w rozwiązaniach WiFi 6 i ma wiodącą pozycję w WiFi 7.
Źródło: Ruije
Jako firma zajmująca się oprogramowaniem i własnością intelektualną, CEVA jest dobrze znana, ale często pomijana przez inwestorów zainteresowanych sektorami IoT i 5G.
Może to być interesująca firma, która znajduje się na samym początku postępu technologicznego w zakresie przetwarzania danych i sztucznej inteligencji brzegowej, co potwierdza przykład CERN-u, który wybrał ją do pomocy w niektórych z najbardziej złożonych analiz danych, jakie kiedykolwiek przeprowadziła ludzkość.
