Megaprojetos
CERN: Entendendo Partículas Para Construir o Mundo Moderno
CERN Como a Raiz da Ciência Moderna
A Organização Europeia para Pesquisa Nuclear, ou CERN, tem sido uma das instalações mais importantes do mundo para o estudo de partículas subatômicas e da física fundamental.
Este é um trabalho importante, pois a física quântica e a relatividade têm sido as ciências fundamentais por trás de muitas, senão da maioria, das inovações tecnológicas do mundo moderno, incluindo computadores, telefones celulares, lasers, telecomunicações, satélites, ressonância magnética, painéis solares, microscópios avançados, energia nuclear, etc.
Isso ocorre porque todas essas tecnologias exigem uma compreensão profunda do comportamento de átomos, elétrons e outras partículas na menor escala. E esses comportamentos não são intuitivos, indo muito além do modelo simplificado de elétrons orbitando o núcleo do átomo. Por exemplo, até mesmo o átomo mais simples possível, o hidrogênio, requer uma equação complexa para descrever como seus elétrons realmente se comportam.
Fonte: Department of Energy
O CERN também tem sido uma iniciativa científica verdadeiramente global e internacional da qual surgiram muitas outras descobertas, incluindo a própria Internet.
Por fim, a construção, operação e modernização das instalações do CERN têm sido um grande impulsionador no avanço da pesquisa e engenharia em muitos campos científicos avançados, como supercondutores, sensores e lasers e ímãs ultra‑poderosos.
Ciência Ambiciosa Desde o Primeiro Dia
CERN foi fundado em 1954 por 12 países europeus, com o acrônimo em francês “Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire” que lhe deu o nome.
Fonte: Wikipedia
Não seria exagero dizer que grande parte da física de partículas moderna nasceu no CERN, notavelmente:
- A descoberta dos bósons fracos que carregam uma das 4 forças fundamentais, foi premiada com o Nobel de Física de 1984.
- A primeira criação de átomos de anti‑hidrogênio.
- A descoberta de um novo estado da matéria, plasma de quarks e glúons.
- Prêmio Nobel de Física de 1992 concedido a um pesquisador do CERN por sua invenção e desenvolvimento de detectores de partículas.
- Prêmio Nobel de Física de 2013 concedido a pesquisadores do CERN pela descrição e observação dos bósons de Higgs (responsáveis por dar massa às partículas).
Fonte: CERN
Hoje, o CERN envolve 25 países como membros plenos e 10 membros associados, que é o primeiro passo antes de uma possível adesão plena. A isso também se soma a estreita relação com 3 países com status de observadores (Japão, Rússia, EUA) e colaboração ou contato científico com quase todos os países da Terra.
O CERN emprega diretamente 3.500 pessoas, sendo o maior grupo composto por cientistas e engenheiros, seguido por técnicos, e logo abaixo cerca de cem físicos de pesquisa.
Fonte: CERN
Infraestruturas do CERN
Nenhuma das conquistas do CERN teria sido possível sem a engenharia de classe mundial que foi empregada na construção de seu acelerador de partículas e detectores.
Aceleradores de partículas funcionam movendo partículas em um vácuo forte, livre de ar ou poeira. Potentes eletroímãs e campos elétricos aceleram as partículas e as mantêm confinadas no acelerador. A partícula acelerada, às vezes a 99,9% da velocidade da luz (299 792 458 metros por segundo / 186 000 milhas por segundo), colide com outro feixe de partículas ou com um alvo fixo.
A velocidade e energia extremas nessas colisões permitem que os cientistas compreendam mais sobre a natureza fundamental dessas partículas.
Fonte: Department of Energy
Hoje, o principal acelerador de partículas do CERN é o LHC (Large Hadron Collider), localizado em Genebra, Suíça. O LHC é um túnel subterrâneo com profundidade de até 175 metros (575 pés), formando um círculo de 27 quilômetros (17 milhas) de circunferência.
No futuro, ele pode ser ofuscado por um acelerador ainda maior, de 90‑100 km, que passará sob o Lago de Genebra e ao redor da cidade (mais detalhes abaixo).
Fonte: Swisstopo
Hoje, além do LHC “principal”, o CERN opera 11 outros aceleradores de partículas para necessidades de pesquisa específicas em partículas mais pesadas, prótons, plasma, estudo de núcleos instáveis, etc. Esses aceleradores frequentemente se complementam, com muitos “alimentando” as partículas necessárias para os outros em um sistema interligado complexo.
Fonte: CERN
A instituição também possui não menos que 11 aceleradores e colisionadores de partículas desativados construídos desde a década de 1950.
Tecnologia do CERN
LHC
A localização profunda subterrânea do LHC resultou de uma combinação de razões científicas e financeiras. É mais barato cavar um túnel do que adquirir um círculo de 27 km de diâmetro de terra superficial, especialmente na cara cara região de Genebra. As camadas de rocha também protegem a instalação da radiação cósmica e da superfície.
Fonte: CERN
O LHC é o acelerador de partículas mais potente já construído. Consome, em média, 600 GWh por ano, cerca de metade do consumo total de energia do CERN, que é de 1,3 TWh. Para colocar em perspectiva, toda a França consome 500 TWh, a UE 3400 TWh e o mundo 20 000 TWh.
O LHC gera 2 feixes de partículas, cada um viajando próximo à velocidade da luz, que colidem entre si. Eles são guiados e confinados por 9593 eletroímãs supercondutores resfriados por hélio líquido a -271,3 °C (-456,34 °F).
A maior parte do consumo de energia da operação se deve aos eletroímãs, tanto para operá-los quanto à energia necessária para produzir essa enorme quantidade de hélio líquido.
Objetivos do LHC
O LHC realizou sua primeira colisão em 2008 e deve operar até a década de 2040. Após uma primeira fase que incluiu a descoberta do bóson de Higgs, está em curso uma massiva atualização e trabalho de manutenção para preparar a segunda fase, que elevará os níveis de energia do LHC para colisões de 13 TeV (teraelétronvolts).
Após a descoberta do bóson de Higgs, espera‑se que o LHC ajude a responder questões fundamentais sobre o Universo, incluindo o papel e a natureza da chamada energia escura e matéria escura.
Os níveis de energia extremos alcançados também devem nos dar insights sobre o estágio inicial do Universo, em um estado de “plasma de quarks‑glúons”.
ATLAS
Um complemento chave ao LHC é o detector de partículas ATLAS. É o maior detector de partículas já construído, com 46 metros (150 pés) de comprimento e 25 metros (82 pés) de diâmetro.
Os detectores contêm mais de 100 milhões de canais eletrônicos sensíveis para registrar as partículas produzidas nas colisões.
Ele contém muitos sub‑detectores, cada um desempenhando um papel separado, para detectar simultaneamente fótons, elétrons, múons, píons, etc.
Fonte: ATLAS
Mais de 5 900 físicos, engenheiros, técnicos, estudantes e administradores trabalharam na construção e operação do ATLAS, representando 180 instituições científicas de mais de 40 países.
CERN – Tecnologias Nascidas
Todos esses quilômetros de aceleradores de partículas geraram ao longo do tempo muitas tecnologias úteis para a humanidade.
Inventando a Internet
Talvez a tecnologia mais impactante que já saiu do CERN tenha sido a Internet; realmente.
O CERN criou o protocolo TCP/IP para sua própria rede interna, e o conceito da World Wide Web foi inventado no CERN por Tim Berners‑Lee, que fez o primeiro site da história (clique no link para ver como era).
Inicialmente, foi pensado como uma forma de os pesquisadores trocarem dados e ideias mais facilmente.
Fonte: CERN
Em 1993, o CERN disponibilizou o software da World Wide Web ao mundo como propriedade intelectual de domínio público. Também foi pioneiro na computação em grade, o processo de realizar cálculos através de múltiplos computadores conectados pela web.
Então, talvez paradoxalmente, uma das maiores contribuições do CERN, uma organização de pesquisa em aceleradores de partículas, foi impulsionar a troca livre de todo conhecimento, dados e software, em vez de um experimento de física quântica.
Aplicações Médicas
Uma aplicação da pesquisa do CERN é uma compreensão mais profunda dos aceleradores de partículas. Aceleradores de menor porte são agora rotineiramente usados em hospitais para radioterapia no tratamento de câncer. Pesquisas contínuas os tornaram cada vez mais eficientes, menores e mais baratos ao longo do tempo.
Uma contribuição adicional à terapia contra o câncer está no campo da medicina nuclear, ou uso de isótopos raros para eliminar células cancerígenas.
Alguns desses radioisótopos são produzidos exclusivamente no CERN.
A imagiologia médica é outro campo onde a física de partículas é crucial, desde raios‑X até ressonância magnética, PET scans e tomografia computadorizada (TC).
Durante a pandemia de Covid, o CERN desenvolveu uma ferramenta de código aberto (Ferramenta de Avaliação de Risco de Ar Transmitido por Covid – CARA) para modelar a concentração de vírus em espaços fechados com parâmetros variáveis, como tamanho da sala, tempo gasto na sala, uso de máscara, número de pessoas e ventilação.
Energia & Tecnologia Verde
O CERN tem colaborado com a Airbus trazendo sua expertise para cabos supercondutores que podem tornar aviões mais leves, ou até aviões elétricos.
A experiência da instituição em testar materiais a temperaturas extremamente baixas também é útil para testar o potencial do hidrogênio no transporte aéreo.
O CERN também colabora estreitamente com o ITER, o maior projeto de fusão nuclear do mundo, que poderia oferecer um suprimento ilimitado de energia limpa se for bem‑sucedido. Considerando que a fusão nuclear depende principalmente de ímãs ultra‑poderosos e materiais supercondutores, a sobreposição com a expertise do CERN é óbvia.
Processamento de Dados
Quando partículas são detectadas, o fluxo de dados gerado em microssegundos é enorme. Mais problemático, esses 40 terabytes por segundo não podem ser armazenados para processamento posterior.
Isso fez com que os cientistas do CERN se tornassem especialistas em projetar algoritmos capazes de decidir, em tempo real, quais dados são de maior interesse.
O CERN colabora com empresas como CEVA (sensores) ou ABB Motors para usar esses algoritmos a fim de otimizar o consumo de energia das instalações e equipamentos do CERN em desenvolvimento.
Isso também é usado pela empresa de segurança automotiva Zenseact para desenvolver sistemas de condução autônoma de baixa latência.
Os mesmos princípios estão sendo aplicados a drones e sistemas robóticos em geral, notavelmente com a empresa Terabee.
Aeroespacial
O CERN tem uma experiência de longa data em lidar com formas intensas e às vezes exóticas de radiação produzidas por seus equipamentos e experimentos.
Isso pode ser aproveitado em aplicações práticas para blindagem contra radiação de satélites e experimentos tripulados no espaço, frequentemente em colaboração com a Agência Espacial Europeia (ESA).
Por exemplo, o CERN possui a única instalação na Terra capaz de replicar o ambiente radiativo severo de Júpiter.
Outras Aplicações
As exigências do CERN de ter todos os seus detectores e sistemas de partículas em perfeita sincronização até o nanosegundo o tornaram também um especialista nessa área.
Os padrões de “sincronização de tempo nascido no CERN” de código aberto podem ser usados em telecomunicações, mercados financeiros e redes quânticas. Por exemplo, o provedor de negociação Deutsche Börse os utiliza em sua infraestrutura de sistemas de negociação.
Educação
O CERN também atua como recurso educacional para ciências avançadas e física.
Isso inclui fornecer gratuitamente um modelo 3D imprimível de seus equipamentos, cartoons explicativos e livros em quadrinhos, e materiais de aula para professores.
Paralelamente, fornece gratuitamente sua própria estrutura de biblioteca digital flexível, de alto desempenho e de código aberto, hoje usada por bibliotecas, universidades e instituições globais.
A dedicação do CERN ao compartilhamento de conhecimento também se manifesta em seu spin‑off Orvium, uma infraestrutura de publicação para publicações científicas de código aberto e descentralizadas.
Finalmente, o CERN oferece visitas educativas às instalações, um museu local e exposições de arte.
Infraestruturas Futuras do CERN & Conquistas
High Luminosity LHC (HL–LHC)
Enquanto os pesquisadores e técnicos do CERN trabalham arduamente para extrair o máximo das instalações atuais, eles também estão olhando para os próximos passos.
O primeiro será o “High Luminosity LHC”, ou HL–LHC, uma atualização que pretende aumentar a luminosidade do LHC em 10 vezes. Por exemplo, o High‑Luminosity LHC produzirá pelo menos 15 milhões de bósons de Higgs por ano, comparado a cerca de três milhões do LHC em 2017.
Fonte: CERN
A atualização incluirá melhorias em ímãs, ligações supercondutoras, proteção reforçada e aceleradores melhores.
O HL–LHC deve estar operacional em meados da década de 2030, já que as obras de engenharia civil começaram em abril de 2018, e recebeu seus primeiros ímãs em dezembro de 2024.
Future Circular Collider (FCC)
Após o LHC, um projeto gigantesco de 90 km está previsto como o próximo passo dos aceleradores de partículas, chamado Future Circular Collider (FCC). Ele será construído a uma profundidade média de 200 metros (656 pés).
Os primeiros experimentos durarão 15 anos, começando em meados da década de 2040 com o FCC‑ee, um colisor elétron‑pósitron. O consumo de energia do FCC‑ee deve variar entre 1 e 1,8 TWh/ano.
Uma segunda máquina, o FCC‑hh, um colisor próton‑próton, seria instalada no mesmo túnel e iniciaria na década de 2070, operando por mais de 25 anos.
Todo o projeto deve custar cerca de CHF 15 bilhões, distribuídos ao longo de 15 anos. A conclusão final do estudo de viabilidade está prevista para 2025, com decisão final pelo comitê do CERN até 2027‑2028 e construção iniciando na década de 2030.
O FCC poderia investigar partículas previstas por teorias que vão além do modelo padrão da física de partículas, o que exigiria detectores mais sensíveis ou aceleração mais poderosa.
Essa compreensão mais profunda da física provavelmente será crucial para melhorar o desempenho dos computadores e abrir novas possibilidades para as ciências dos materiais. E, ao fazer isso, permitirá que a humanidade se torne uma civilização verdadeiramente avançada capaz de navegar pelas estrelas, criar inteligência artificial verdadeira ou desfrutar de energia ilimitada e abundante.
Empresa Relacionada ao CERN
CEVA
(CEVA )
CEVA é uma empresa de sensores e parceira do CERN para usar o algoritmo da instituição a fim de melhorar a eficiência e o consumo de energia de seus sensores. As soluções e IP da CEVA (200 patentes) estão integradas em 18 bilhões de dispositivos.
As soluções da empresa são usadas por muitas das principais marcas eletrônicas em todo o mundo.
Fonte: CEVA
A principal aplicação da colaboração entre CEVA e o CERN é “Edge AI”, ou aplicações de inteligência artificial implantadas em dispositivos longe dos data centers (a nuvem) e mais próximos dos consumidores (a borda).
Não pode ser surpreendente ver algoritmos de física de partículas sendo reutilizados em aplicações de IA, já que redes neurais foram, por exemplo, usadas na descoberta do bóson de Higgs. Analisar dados de aceleradores de partículas precisa ser feito no local, em vez de na nuvem, devido ao enorme volume de dados produzidos muito rapidamente.
A Ceva ajudou o CERN a criar novos algoritmos de compressão que podem ser usados em experimentos futuros e será capaz de integrar essa nova tecnologia em seus produtos.
“Graças à nossa colaboração com o CERN, conseguimos desenvolver uma abordagem inovadora que permite que as redes funcionem até 15 vezes mais rápido em comparação com modelos de base de 16 bits.
Isso aumenta a velocidade da rede e reduz o consumo de energia em até 90% enquanto mantém precisão comparável.
Este é apenas um dos avanços tecnológicos da CEVA, com a empresa ativa em conectividade 5G (incluindo 5G via satélite) e IoT (Internet das Coisas) com soluções de IA incorporada, tanto para soluções industriais quanto residenciais. Também é líder em soluções WiFi 6 e possui posição de liderança em WiFi 7.
Fonte: CEVA
A CEVA beneficia‑se enormemente da tendência combinada de conectividade 5G (incluindo 5G via satélite) e IoT (Internet das Coisas) com soluções de IA incorporada, tanto para soluções industriais quanto residenciais. Também é líder em soluções WiFi 6 e tem posição de liderança em WiFi 7.
Fonte: Ruije
Como empresa de software e IP, a CEVA é bem‑conhecida e frequentemente esquecida por investidores interessados nos setores de IoT e 5G.
Pode ser uma empresa interessante na vanguarda do progresso tecnológico em processamento de dados e Edge AI, como ilustrado pela seleção do CERN para ajudá‑la em algumas das análises de dados mais complexas já realizadas pela humanidade.
