Megaprojetos
CERN: Compreendendo Partículas Para Construir o Mundo Moderno
CERN Como Raiz Da Ciência Moderna
A Organização Europeia para a 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 a maioria, das inovações tecnológicas do mundo moderno, incluindo computadores, telefones celulares, lasers, telecomunicações, satélites, MRI, painéis solares, microscópios avançados, energia nuclear, etc.
Isso ocorre porque todas essas tecnologias requerem uma compreensão profunda do comportamento de átomos, elétrons e outras partículas na menor escala. E essas partículas são todas, mas não 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 muitas outras descobertas, incluindo a própria Internet, surgiram.
Por fim, a construção, operação e melhoria das instalações do CERN têm sido um grande impulsionador na pesquisa e engenharia em muitos campos científicos avançados, como supercondutores, sensores e lasers e ímãs ultra-poderosos.
Ciência Ambiciosa Desde o Início
O CERN foi fundado em 1954 por 12 países europeus, com o acrônimo em francês “Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire” dando-lhe seu nome.
Fonte: Wikipedia
Não seria exagero dizer que uma grande parte da física de partículas moderna nasceu no CERN, notadamente:
- A descoberta dos bósons fracos que transportam uma das 4 forças fundamentais, foi premiada com o Prêmio Nobel de Física de 1984.
- A primeira criação de átomos de antihidrogênio.
- A descoberta de um novo estado da matéria, plasma de quarks e glúons.
- Prêmio Nobel de Física de 1992 a um pesquisador do CERN por sua invenção e desenvolvimento de detectores de partículas.
- Prêmio Nobel de Física de 2013 a pesquisadores do CERN por sua 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 da possível adesão plena. A esses devem ser adicionados a relação estreita 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, o maior grupo sendo composto por cientistas e engenheiros, seguidos por técnicos, seguindo as lideranças e insights um pouco abaixo de uma centena de físicos de pesquisa.
Fonte: CERN
Infraestruturas do CERN
Nenhuma das conquistas do CERN teria sido possível sem a engenharia de classe mundial que entrou na construção de seu acelerador de partículas e detectores.
Os aceleradores de partículas funcionam movendo partículas em um vácuo forte, livre de ar ou poeira. Ímãs e campos elétricos poderosos 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 outra feixe de partículas ou um alvo fixo.
A velocidade e energia extremas nesses choques 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 tão profundo quanto 175 metros (575 pés), formando um círculo de 27 quilômetros (17 milhas) de circunferência.
No futuro, pode ser ultrapassado por um acelerador ainda maior de 90-100km que passa sob o Lago de Genebra e toda a cidade (mais sobre isso abaixo).
Fonte: Swisstopo
Hoje, além do “principal” LHC, o CERN opera 11 outros aceleradores de partículas para necessidades de pesquisa específicas em partículas mais pesadas, prós, plasma, estudo de núcleos instáveis, etc. Esses aceleradores de partículas muitas vezes se complementam, com muitos “alimentando” as partículas necessárias nos outros em um sistema interconectado complexo.
Fonte: CERN
A instituição também tem nada menos que 11 aceleradores de partículas e colisores desativados construídos desde a década de 1950.
Tecnologia do 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 27km de diâmetro de terra, especialmente na região cara de Genebra. As camadas de rochas também protegem a instalação de radiação cósmica e de superfície.
Fonte: CERN
O LHC é o acelerador de partículas mais poderoso 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 colocar em perspectiva, toda a França consome 500 TWh, a UE 3400 TWh e o mundo 20.000 TWh.
O LHC cria 2 feixes de partículas, cada um viajando perto da velocidade da luz, colidindo um com o outro. 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 para a energia necessária para produzir essa quantidade massiva de hélio líquido.
Metas do LHC
O LHC realizou sua primeira colisão em 2008 e deve funcionar até a década de 2040. Após uma primeira corrida que incluiu a descoberta do bóson de Higgs, está em andamento um grande upgrade e manutenção para preparar a segunda corrida, que aumentará os níveis de potência do LHC para colisões de 13 TeV (tera eletrôns-volts).
Após a descoberta do bóson de Higgs, o LHC deve ajudar a responder a 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 e glúons”.
ATLAS
Um complemento-chave ao 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 100+ milhões de canais eletrônicos sensíveis para registrar as partículas produzidas pelas colisões.
Ele contém muitos sub-detectores, cada um desempenhando um papel separado, para detectar ao mesmo tempo fótons, elétrons, múons, píons, etc.
Fonte: ATLAS
5900+ físicos, engenheiros, técnicos, estudantes e administradores trabalharam na construção e operação do ATLAS, representando 180 instituições científicas de 40+ países.
Tecnologias Nascidas no CERN
Inventando a Internet
Talvez a tecnologia mais impactante que já surgiu 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 (siga o link para ver como ele parecia).
Inicialmente, foi pensado como uma forma de os pesquisadores trocarem dados e ideias mais facilmente.
Fonte: CERN
Em 1993, o CERN ofereceu o software da World Wide Web ao mundo como propriedade intelectual de domínio público. Ele também seria um pioneiro em computação em grade, o processo de realizar um cálculo por meio de vários computadores conectados pela web.
Assim, talvez paradoxalmente, uma das maiores contribuições do CERN, uma organização de pesquisa de 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 menores agora são usados rotineiramente em hospitais para radioterapia em tratamentos de câncer. A pesquisa contínua os tornou cada vez mais eficientes, menores e mais baratos ao longo do tempo.
Uma contribuição adicional para a terapia contra o câncer está no campo da medicina nuclear, ou uso de isótopos raros para matar células cancerígenas.
Alguns desses radioisótopos são produzidos exclusivamente no CERN.
A imagem médica é outro campo onde a física de partículas é crucial, desde raios-X até MRI, PET scans e tomografia computadorizada (TC).
Várias melhorias na radioterapia de hadrons, bem como na imagem médica, vieram diretamente dos sensores desenvolvidos para o detector de partículas ATLAS.
Durante a pandemia de Covid, o CERN desenvolveu uma ferramenta de código aberto (Ferramenta de Avaliação de Risco de Ar Aéreo – CARA) para modelar a concentração do vírus em espaços fechados com parâmetros variados, como tamanho do quarto, tempo gasto no quarto, uso de máscara, número de pessoas e ventilação.
Energia e Tecnologia Verde
O CERN tem colaborado com a Airbus trazendo sua expertise para cabos supercondutores para aviões potencialmente mais leves, ou até mesmo aviões elétricos.
A experiência da instituição em testar 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 pode 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 as 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 levou os cientistas do CERN a se tornarem especialistas em projetar algoritmos capazes de decidir quais dados são os mais interessantes em tempo real.
O CERN está colaborando com empresas como CEVA (sensores) ou ABB Motors (motores) para usar esses algoritmos para otimizar o consumo de energia das instalações e equipamentos do CERN em desenvolvimento.
Isso também é usado pela empresa de segurança de carros Zenseact para desenvolver sistemas de direção autônoma de baixa latência.
Os mesmos princípios estão sendo implantados em drones e sistemas de robótica em geral, notadamente com a empresa Terabee.
Aeroespacial
O CERN tem uma longa experiência em lidar com formas intensas e às vezes exóticas de radiação produzidas por seu equipamento e experimentos.
Isso pode ser aproveitado em aplicações práticas para blindagem de radiação de satélites e experimentos tripulados no espaço, muitas vezes 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
A necessidade do CERN de ter todos os seus detectores de partículas e sistemas em perfeita sincronização até o nível de nanossegundos o tornou um especialista nesse campo também.
Os padrões de “sincronização de tempo nascidos no CERN” de código aberto podem ser usados em telecomunicações, mercados financeiros e redes quânticas. Por exemplo, o provedor de negociação Deutsche Börse está usando-o em sua infraestrutura de sistema de negociação.
Educação
O CERN também atua como um recurso educacional para ciências e física avançadas.
Isso inclui fornecer gratuitamente um modelo 3D-imprimível de seu equipamento, cartuns e livros de quadrinhos explicativos e materiais de sala de aula para professores.
Em paralelo, 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 em compartilhar conhecimento também se manifesta em seu spin-off Orvium, uma infraestrutura de publicação para publicações científicas de código aberto e descentralizadas.
Por fim, o CERN fornece tours educacionais de suas instalações, um museu local e exposições de arte.
Infraestruturas e Realizações Futuras do CERN
Colisor de Luminosidade Alta (HL–LHC)
Enquanto os pesquisadores e técnicos do CERN trabalham arduamente para obter o máximo possível das instalações atuais, eles estão ao mesmo tempo olhando para os próximos passos.
O primeiro será o “Colisor de Luminosidade Alta”, ou HL–LHC, uma atualização que pretende aumentar a luminosidade do LHC em 10 vezes. Por exemplo, o Colisor de Luminosidade Alta 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, ligações supercondutoras, proteção reforçada e aceleradores melhorados.
HL–LHC deve estar operacional na metade da década de 2030, à medida que o trabalho de engenharia civil começou em abril de 2018, e recebeu seus primeiros ímãs em dezembro de 2024.
Colisor Circular Futuro (FCC)
Depois do LHC, um design gigantesco de 90km é esperado para ser o próximo passo dos aceleradores de partículas, chamado Colisor Circular Futuro (FFC). Ele será construído a uma profundidade média de 200 metros (656 pés).
Os primeiros experimentos irão por 15 anos, começando na metade da década de 2040 com o FCC-ee, um colisor elétron-positron. O consumo de energia do FCC-ee variará entre 1 e 1,8 TWh/ano.
Uma segunda máquina, o FCC-hh, um colisor próton-próton, será instalada no mesmo túnel e começará na década de 2070 e funcionará por mais de 25 anos.
O projeto todo deve custar cerca de CHF15B, distribuído ao longo de 15 anos. A conclusão final do estudo de viabilidade é esperada para 2025, com uma decisão final do comitê do CERN por 2027-2028 e início da construção na década de 2030.
O FCC pode investigar partículas previstas por teorias que vão além do modelo padrão de 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 a ciência de materiais. E, ao fazer isso, permitir que a humanidade se torne uma civilização avançada capaz de navegar pelas estrelas, criar inteligência artificial verdadeira ou desfrutar de energia abundante ilimitada.
Empresa Relacionada ao CERN
CEVA
(CEVA )
A CEVA é uma empresa de sensores e parceira do CERN para usar os algoritmos da instituição para melhorar a eficiência e o consumo de energia de seus sensores. As soluções e IP (200 patentes) da CEVA são integradas em 18 bilhões de dispositivos.
As soluções da empresa são usadas por muitas das principais marcas eletrônicas do 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 centros de dados (a nuvem) e mais próximos dos consumidores (a borda).
Não é surpreendente ver algoritmos de física de partículas sendo reutilizados em aplicações de IA, pois redes neurais foram usadas, por exemplo, para encontrar a partícula de Higgs. Analisar dados de aceleradores de partículas precisa ser feito localmente, em vez de na nuvem, devido ao volume enorme de dados produzidos muito rapidamente.
A CEVA ajudou o CERN a criar novos algoritmos de compressão que podem ser usados em experimentos futuros e poderá 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 os modelos de referência de 16 bits.
Isso melhora a velocidade da rede e reduz o consumo de energia em até 90%, mantendo a precisão comparável.”
Olya Sirkin – Pesquisadora Sênior de Aprendizado de Máquina na CEVA
Isso é apenas um dos progressos tecnológicos da CEVA, com a empresa ativa 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 para soluções caseiras. Ela também é líder em soluções WiFi 6 e tem uma posição de liderança em WiFi 7.
Fonte: Ruijie
Como uma empresa de software e IP, a CEVA é bem conhecida e é frequentemente perdida por investidores interessados nos setores de IoT e 5G.
Ela pode ser uma empresa interessante na borda da progressão tecnológica em processamento de dados e IA de borda, como ilustrado pela seleção do CERN para ajudar em algumas das análises de dados mais complexas já realizadas pela humanidade.
