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CERN: Compreendendo as partículas para construir o mundo moderno
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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 física fundamental.
Este é um trabalho importante, pois a física quântica e a relatividade têm sido as ciências fundamentais por trás de muitas, se não da maioria, das inovações tecnológicas do mundo moderno, incluindo computadores, 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 possível. E essas são praticamente intuitivas, indo muito além do modelo simplificado de elétrons orbitando o núcleo do átomo. Por exemplo, mesmo o átomo mais simples possível, o hidrogênio, requer uma equação complexa para descrever como seus elétrons realmente se comportam.
Fonte: Departamento de Energia
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 atualização das instalações do CERN têm sido um grande impulsionador da pesquisa e da engenharia em muitos campos científicos avançados, como supercondutores, sensores e lasers e ímãs ultrapoderosos.
Ciência ambiciosa desde o primeiro dia
O CERN foi fundado em 1954 por 12 países europeus, com a sigla em francês “Conselho Europeu de Pesquisa Nuclear"dando-lhe o seu nome.
Fonte: Wikipedia
Não seria exagero dizer que grande parte da física de partículas moderna nasceu no CERN, nomeadamente:
- A descoberta dos bósons fracos, portadores de uma das quatro forças fundamentais, rendeu o Prêmio Nobel de Física de 4.
- A primeira criação de átomos de anti-hidrogênio.
- A descoberta de um novo estado da matéria, o plasma de quarks e glúons.
- Prêmio Nobel de Física de 1992 para um pesquisador do CERN por sua invenção e desenvolvimento de detectores de partículas.
- Prêmio Nobel de Física de 2013 para 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, o que é o primeiro passo antes da potencial filiação plena. A estes também deve ser adicionada a relação próxima com 3 países com status de observador (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 formado por cientistas e engenheiros, seguidos por técnicos, seguindo a liderança e os insights de pouco menos de cem físicos pesquisadores.
Fonte: CERN
Infraestruturas do CERN
Nenhuma das conquistas do CERN teria sido possível sem a engenharia de classe mundial 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. Eletroímãs poderosos 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), atinge outro feixe de partículas ou um alvo fixo.
A velocidade e a energia extremas nessas colisões permitem que os cientistas entendam mais sobre a natureza fundamental dessas partículas.
Fonte: Departamento de Energia
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 poderá ser ofuscado por um acelerador ainda maior, de 90 a 100 km, passando por baixo do Lago Genebra e por toda a cidade (mais sobre isso abaixo).
Fonte: Suíçotopo
Hoje, além do LHC “principal”, o CERN opera outros 11 aceleradores de partículas para necessidades específicas de pesquisa sobre partículas mais pesadas, prótons, plasma, estudo de núcleos instáveis, etc. Esses aceleradores de partículas frequentemente se complementam, com muitos “alimentando” as partículas necessárias para os outros em um sistema complexo de interligação.
Fonte: CERN
A instituição também tem nada menos que 11 aceleradores de partículas e colisores desativados, construídos desde a década de 1950.
Tecnologia CERN
LHC
A localização subterrânea profunda 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 na superfície, especialmente na cara região de Genebra. As camadas de rochas também protegem a instalação da radiação cósmica e da radiação de superfície.
Fonte: CERN
O LHC é o acelerador de partículas mais potente já construído. Ele consome, em média, 600 GWH por ano, cerca de metade do consumo total de energia do CERN, de 1.3 TWh. Para se ter uma ideia, toda a França consome 500 TWh, a UE 3400 TWh e o mundo 20,000 TWh.
O LHC faz com que 2 feixes de partículas, cada um viajando perto da velocidade da luz, colidam um com o outro. Eles são guiados e confinados por 9593 eletroímãs de supercondução resfriado 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 expansão de energia para produzir essa enorme quantidade de hélio líquido.
Objetivos do LHC
O LHC realizou sua primeira colisão em 2008 e espera-se que continue operando até a década de 2040. Após uma primeira operação que incluiu a descoberta do bóson de Higgs, ele está passando por um grande trabalho de atualização e manutenção para se preparar para a segunda operação, que aumentará os níveis de potência do LHC para colisões de 13 TeV (tera elétron-volts).
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 extremos de energia atingidos também devem nos dar insights sobre o estágio inicial do Universo, em um estado de “plasma de quarks e glúons”.
ATLAS
Um complemento essencial para o LHS 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 pelas colisões.
Ele contém muitos subdetectores, cada um desempenhando uma função separada, para detectar ao mesmo tempo fótons, elétrons, múons, píons, etc.
Fonte: ATLAS
Mais de 5900 físicos, engenheiros, técnicos, estudantes e administradores trabalharam na construção e operação do ATLAS, representando 180 instituições científicas de mais de 40 países.
CERN – Nascem as Tecnologias
Todos esses quilômetros de aceleradores de partículas renderam muita tecnologia útil para a humanidade ao longo do tempo.
Inventando a Internet
Talvez a tecnologia mais impactante que já saiu do CERN tenha sido a Internet; na verdade.
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 (siga o link para ver como ficou).
Inicialmente, foi pensado como uma forma de pesquisadores trocarem dados e ideias com mais facilidade.
Fonte: CERN
Em 1993, o CERN ofereceu o software World Wide Web ao mundo como propriedade intelectual de domínio público. Também seria um pioneiro em computação em grade, o processo de executar um cálculo por meio de vários computadores conectados pela web.
Então, talvez paradoxalmente, uma das maiores contribuições do CERN, uma organização de pesquisa de aceleradores de partículas, foi impulsionar a livre troca de todo o conhecimento, dados e software, em vez de um experimento de física quântica.
Aplicações Médicas
Uma aplicação da pesquisa do CERN é uma compreensão mais aprofundada dos aceleradores de partículas. Aceleradores menores são agora usados rotineiramente em hospitais para radioterapia em tratamentos de câncer. Pesquisas contínuas os tornaram cada vez mais eficientes, menores e mais baratos ao longo do tempo.
Uma contribuição adicional para a terapia do câncer está no campo da medicina nuclear, ou seja, no uso de isótopos raros para matar células cancerígenas.
Alguns desses radioisótopos são produzidos exclusivamente no CERN.
A imagem médica é outro campo em que a física de partículas é crucial, desde raios X até ressonância magnética, tomografias por emissão de pósitrons (PET) e tomografia computadorizada (TC).
Várias melhorias na radioterapia com hádrons, bem como na imagem médicag, veio diretamente dos sensores desenvolvidos para o detector de partículas ATLAS.
Durante a pandemia da Covid, o CERN desenvolveu uma ferramenta de código aberto (ferramenta de avaliação de risco aéreo da COVID – CARA) para modelar a concentração do vírus em espaços fechados com parâmetros variados, como tamanho da sala, tempo gasto na sala, uso de máscara, número de pessoas e ventilação.
Energia e Tecnologia Verde
O CERN tem colaborado com a Airbus trazendo sua experiência para cabos supercondutores para aviões potencialmente mais leves, ou mesmo aviões elétricos.
A experiência da instituição com testes de materiais em temperaturas extremamente baixas também é útil para testar o potencial do hidrogênio no transporte aéreo.
O CERN também está colaborando estreitamente com o ITER, o maior projeto de fusão nuclear do mundo, que poderia oferecer um fornecimento ilimitado de energia limpa se tivesse sucesso. Considerando que a fusão nuclear depende principalmente de ímãs ultrapoderosos e materiais supercondutores, a sobreposição com a expertise do CERN é óbvia.
Processamento de dados
Quando partículas são detectadas, o fluxo de dados gerados em microssegundos é enorme. Mais problemático, esses 40 terabytes por segundo não podem ser armazenados para processamento posterior.
Isso levou os cientistas do CERN a se tornarem especialistas em projetar algoritmos capazes de decidir rapidamente quais dados são mais interessantes.
O CERN está colaborando com empresas como CEVA (sensores) ou Motores ABB usar tais algoritmos para 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 direção autônoma de baixa latência.
Os mesmos princípios estão a ser implementados em drones e sistemas de robótica em geral, nomeadamente com a empresa Terabee.
Indústria aeroespacial
O CERN tem uma longa experiência 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 de radiação de satélites e experimentos tripulados no espaço, geralmente em colaboração com a Agência Espacial Europeia (ESA).
Por exemplo, o CERN tem a única instalação na Terra capaz de replicar o ambiente radiativo severo de Júpiter.
Outras aplicações
Os requisitos do CERN para ter todos os seus detectores de partículas e sistemas em perfeita sincronização até o nanossegundo o tornaram um especialista também neste campo.
Os padrões de “sincronização de tempo nascidos no CERN” de código aberto podem ser usados em telecomunicações, mercados financeiros e redes quânticas. Por exemplo, provedor de negociação Bolsa de Valores Alemã está usando-o em sua infraestrutura de sistema de negociação.
Educação
O CERN também atua como um recurso educacional para ciências avançadas e física.
Isso inclui fornecer gratuitamente um modelo imprimível em 3D de seus equipamentos, desenhos animados e histórias em quadrinhos explicativos e materiais de sala de aula para professores.
Paralelamente, ele 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 à partilha de conhecimento também se manifesta na sua spinoff Orvium, uma infraestrutura de publicação para publicações científicas de código aberto e descentralizadas.
Por fim, o CERN oferece visitas educacionais às instalações, um museu local e exposições de arte.
Infraestruturas e realizações futuras do CERN
LHC de alta luminosidade (HL–LHC)
Enquanto os pesquisadores e técnicos do CERN trabalham duro para obter o máximo possível das instalações atuais, eles estão ao mesmo tempo de olho nos próximos passos.
O primeiro será o “LHC de alta luminosidade” ou HL–LHC, uma atualização que pretende aumentar a luminosidade do LHC em 10x. Por exemplo, o LHC de Alta Luminosidade produzirá pelo menos 15 milhões de bósons de Higgs por ano, em comparação com cerca de três milhões do LHC em 2017.
Fonte: CERN
A atualização incluirá melhorias em ímãs, links supercondutores, proteção reforçada e melhores aceleradores.
O HL-LHC deverá estar operacional em meados da década de 2030, uma vez que as obras de engenharia civil começaram em abril de 2018, e recebeu seus primeiros ímãs em dezembro de 2024.
Colisor circular futuro (FCC)
Depois do LHC, espera-se que o próximo passo dos aceleradores de partículas seja um projeto gigantesco de 90 km, chamado o futuro colisor circular (FFC). Será construído a uma profundidade média de 200 metros (656 pés).
Os primeiros experimentos continuarão por 15 anos, começando em meados da década de 2040 com o FCC-ee, um colisor elétron-pósitron. Espera-se que o consumo de energia do FCC-ee varie entre 1 e 1.8 TWh/ano.
Uma segunda máquina, o FCC-hh, um colisor próton-próton, seria instalada no mesmo túnel e começaria a operar na década de 2070, durando mais de 25 anos.
Espera-se que todo o projeto custe cerca de CHF15B, distribuídos ao longo de 15 anos. A conclusão final do estudo de viabilidade é esperada para 2025, com uma decisão final do comitê do CERN até 2027-2028 e a construção começando na década de 2030.
A FCC poderia investigar partículas previstas por teorias que vão além o modelo padrão da física de partículas, o que exigiria detectores mais sensíveis ou uma aceleração mais potente.
Essa compreensão mais profunda da física provavelmente será crucial para melhorar o desempenho dos computadores e abrir novas possibilidades para as ciências materiais. E, ao fazer isso, permitir que a humanidade se torne uma civilização verdadeiramente avançada, capaz de navegar pelas estrelas, criar verdadeira inteligência artificial ou desfrutar de energia abundante e ilimitada.
Empresa relacionada ao CERN
CEVA
(CEVA )
A CEVA é uma empresa de sensores parceira do CERN que utiliza o algoritmo da instituição para melhorar a eficiência e o consumo de energia de seus sensores. As soluções e a propriedade intelectual 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 CERN é a “Edge AI”, ou aplicações de inteligência artificial implantadas em dispositivos distantes dos data centers (a nuvem) e mais próximos dos consumidores (a borda).
Pode não ser surpreendente ver algoritmos de física de partículas sendo reutilizados em aplicações de IA, como redes neurais foram, por exemplo, usadas para encontrar a partícula bóson de Higgs. A análise de dados do acelerador de partículas precisa ser feita no local em vez de na nuvem, devido ao grande 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, fomos capazes de desenvolver uma abordagem inovadora que permite que as redes funcionem até 15x mais rápido em comparação aos modelos básicos de 16 bits.
Ele está melhorando a velocidade da rede e reduzindo o consumo de energia em até 90%, mantendo uma precisão comparável.”
Este é apenas um dos avanços tecnológicos da CEVA, com a empresa atuando em conectividade sem fio, sensores (visão, áudio, movimento) e algoritmos de rede neural.
Fonte: CEVA
A CEVA se beneficia muito da tendência combinada de conectividade 5G (incluindo satélite 5G) e IoT (Internet das Coisas) com soluções de IA incorporadas, tanto para soluções industriais quanto residenciais. Ela também é líder em soluções WiFi 6 e tem uma posição de liderança em WiFi 7.
Fonte: Ruije
Como uma empresa de software e propriedade intelectual, a CEVA é bem conhecida e muitas vezes passa despercebida por investidores interessados nos setores de IoT e 5G.
Pode ser uma empresa interessante na vanguarda do progresso tecnológico em processamento de dados e IA de ponta, como ilustrado pela seleção dela pelo CERN para ajudar com algumas das análises de dados mais complexas já realizadas pela humanidade.
