Megaprojekt
CERN: Förståelse av partiklar för att bygga den moderna världen
CERN som rot för modern vetenskap
Den Europeiska organisationen för kärnforskning, eller CERN, har varit en av de viktigaste anläggningarna i världen för studier av subatomära partiklar och grundläggande fysik.
Detta är viktigt arbete, eftersom kvantfysik och relativitet har varit de grundläggande vetenskaperna bakom många, om inte de flesta, av den moderna världens tekniska innovationer, inklusive datorer, mobiltelefoner, laser, telekommunikation, satelliter, MRI, solceller, avancerade mikroskop, kärnkraft, etc.
Detta beror på att alla dessa tekniker kräver en djup förståelse för beteendet hos atomer, elektroner och andra partiklar på den minsta skalan. Och dessa är alla annat än intuitiva, och går långt utöver den förenklade modellen av elektroner som kretsar kring atomkärnan. Till exempel kräver även den enklaste möjliga atomen, väte, en komplex ekvation för att beskriva hur dess elektroner verkligen beter sig.
Källa: Department of Energy
CERN har också varit ett sant globalt och internationellt vetenskapligt initiativ från vilket många andra upptäckter, inklusive Internet självt, har sprungit.
Slutligen har byggandet, driften och uppgraderingen av CERN-anläggningarna varit en stor drivkraft för att öka forskningen och utvecklingen inom många avancerade vetenskapliga områden som supraledare, sensorer och ultra-kraftfulla laser och magneter.
Ambitiös vetenskap från dag ett
CERN grundades 1954 av 12 europeiska länder, med den franska förkortningen “Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire” som gav det dess namn.
Källa: Wikipedia
Det vore inte en överdrift att säga att en stor del av modern partikelfysik föddes i CERN, bland annat:
- Upptäckten av de svaga bosonerna som bär en av de 4 grundläggande krafterna, belönades med Nobelpriset i fysik 1984.
- Den första skapelsen av antiväteatomer.
- Upptäckten av en ny tillstånd av materia, quark-gluonplasma.
- Nobelpriset i fysik 1992 till en CERN-forskare för hans uppfinning och utveckling av partikeldetektorer.
- Nobelpriset i fysik 2013 till CERN-forskare för beskrivningen och observationen av Higgs-bosonerna (ansvariga för att ge partiklarna massa).
Källa: CERN
Idag omfattar CERN 25 länder som fullvärdiga medlemmar och 10 associerade medlemmar, som är det första steget innan möjlig full medlemskap. Till dessa ska också läggas den nära relationen med 3 länder med observatörsstatus (Japan, Ryssland, USA) och samarbete eller vetenskaplig kontakt med nästan varje land på jorden.
CERN sysselsätter direkt 3 500 personer, den största gruppen består av forskare och ingenjörer, följt av tekniker, som följer ledningen och insikterna en aning under ett hundra forskningsfysiker.
Källa: CERN
CERN-infrastruktur
Ingen av CERNs prestationer hade varit möjliga utan den världsklassens ingenjörskonst som gick in i byggandet av dess partikelaccelerator och detektorer.
Partikelacceleratorer fungerar genom att flytta partiklar i en stark vakuum, fri från all luft eller damm. Kraftfulla elektromagneter och elektriska fält accelererar partiklarna och håller dem instängda i acceleratorn. Den accelererade partikeln, ibland vid 99,9% av ljusets hastighet (299 792 458 meter per sekund / 186 000 miles per sekund), kolliderar antingen med en annan partikelstråle eller en fast måltavla.
Den extrema hastigheten och energin i dessa kollisioner tillåter forskare att förstå mer om de grundläggande egenskaperna hos dessa partiklar.
Källa: Department of Energy
Idag är CERNs huvudsakliga partikelaccelerator LHC (Large Hadron Collider), belägen i Genève, Schweiz. LHC är en underjordisk tunnel som är så djup som 175 meter (575 fot), som bildar en cirkel på 27 kilometer (17 miles) i omkrets.
I framtiden kan det bli överträffat av en ännu större 90-100 km accelerator som går under Genèvesjön och runt hela staden (mer om det nedan).
Källa: Swisstopo
Idag, förutom “huvud”-LHC, opererar CERN 11 andra partikelacceleratorer för specifika forskningsbehov på tyngre partiklar, protoner, plasma, studier av instabila kärnor etc. Dessa partikelacceleratorer kompletterar ofta varandra, med många “matande” de erforderliga partiklarna in i de andra i ett komplext sammanlänkat system.
Källa: CERN
Institutionen har också inte mindre än 11 avvecklade partikelacceleratorer och kolliderare byggda sedan 1950-talet.
CERN-teknologi
LHC
LHCs djupa underjordiska placering resulterade från en blandning av vetenskapliga och finansiella skäl. Det är billigare att gräva en tunnel än att förvärva en cirkel på 27 km i diameter av ytmärke, särskilt i den dyra Genève-regionen. Berglager skyddar också anläggningen från kosmisk och ytradiation.
Källa: CERN
LHC är den kraftfullaste partikelaccelerator som någonsin byggts. Den förbrukar i genomsnitt 600 GWh per år, runt hälften av CERNs totala energiförbrukning på 1,3 TWh. För att sätta det i perspektiv, förbrukar hela Frankrike 500 TWh, EU 3400 TWh och världen 20 000 TWh.
LHC skapar 2 partikelstrålar, var och en som reser nära ljusets hastighet, kolliderar med varandra. De styrs och innesluts av 9593 supraledande elektromagneter kylda med flytande helium vid -271,3°C (-456,34°F).
Större delen av energiförbrukningen av driften beror på elektromagneterna, både för att driva dem och den energiutgiften för att producera denna enorma mängd flytande helium.
LHC-mål
LHC utförde sin första kollision 2008 och förväntas köra till 2040-talet. Efter en första omgång, inklusive upptäckten av Higgs-bosonen, pågår en massiv uppgradering och underhållsarbete för att förbereda sig för den andra omgången, som kommer att öka LHCs effektnivåer till 13 TeV (tera electronvolts) kollisioner.
Efter upptäckten av Higgs-bosonen förväntas LHC hjälpa till att besvara grundläggande frågor om universum, inklusive rollen och naturen hos den så kallade mörka energin och mörka materien.
De extrema energinivåerna som uppnås bör också ge oss insikter i universums tidiga skede, i en tillstånd av “quark-gluonplasma”.
ATLAS
En nyckelkomplement till LHS är ATLAS-partikeldetektorn. Det är den största partikeldetektorn som någonsin byggts, 46 meter (150 fot) lång och 25 meter (82 fot) i diameter.
Detektorerna innehåller 100+ miljoner känsliga elektroniska kanaler för att registrera partiklarna som produceras av kollisionerna.
Det innehåller många underdetektorer, var och en med en separat roll, för att samtidigt upptäcka fotoner, elektroner, muoner, pioner etc.
Källa: ATLAS
5900+ fysiker, ingenjörer, tekniker, studenter och administratörer har arbetat med att bygga och driva ATLAS, representerande 180 vetenskapliga institutioner från 40+ länder.
CERN – teknologier födda
Alla dessa kilometer av partikelacceleratorer har gett upphov till mycket användbar teknologi för mänskligheten över tiden.
Uppfann Internet
Kanske den mest betydelsefulla teknologin som kom ut från CERN var Internet; verkligen.
CERN skapade TCP/IP-protokollet för sitt eget interna nätverk, och konceptet World Wide Web uppfanns vid CERN av Tim Berners-Lee, som skapade den allra första webbplatsen (följ länken för att se hur den såg ut).
Det var initialt tänkt som ett sätt för forskare att utbyta data och idéer mer lätt.
Källa: CERN
1993 erbjöd CERN World Wide Web-programvaran till världen som allmän egendom. Det skulle också vara en pionjär inom grid computing, processen att utföra en beräkning genom flera datorer som är anslutna via webben.
Så kanske paradoxalt, en av CERNs största bidrag, en partikelacceleratorforskningsorganisation, var att främja det fria utbytet av all kunskap, data och programvara, istället för en kvantfysisk experiment.
Medicinska tillämpningar
En tillämpning av CERNs forskning är en djupare förståelse för partikelacceleratorer. Mindre storleksacceleratorer används nu rutinmässigt på sjukhus för strålbehandling vid cancerbehandling. Kontinuerlig forskning har gjort dem alltmer effektiva, mindre och billigare över tiden.
En ytterligare bidrag till cancerterapi är inom området nukleärmedicin, eller användning av sällsynta isotoper för att döda cancerceller.
Vissa av dessa radioisotoper produceras unikt vid CERN.
Medicinsk avbildning är ett annat område där partikelfysik är avgörande, från röntgenstrålar till MRI, PET-skanningar och datortomografi (CT).
Flera förbättringar inom hadronstrålbehandling, samt medicinsk avbildning, kom direkt från sensorer som utvecklats för ATLAS-partikeldetektorn.
Under Covid-pandemin utvecklade CERN ett öppen källkodsverktyg (COVID Airborne Risk Assessment tool – CARA) för att modellera viruskoncentration i slutna utrymmen med varierande parametrar, såsom rumstorlek, tid tillbringad i rummet, maskbärande, antal personer och ventilation.
Energi & grönteknik
CERN har samarbetat med Airbus genom att bidra med sin expertis till supraledande kablar för potentiellt lättare flygplan, eller till och med elflygplan.
Institutionens erfarenhet av att testa material vid extremt låga temperaturer är också användbar för att testa potentialen för väte i flygtransport.
CERN samarbetar också nära med ITER, världens största kärnfusionsprojekt, vilket kan erbjuda en obegränsad tillförsel av ren energi om det lyckas. Med tanke på att kärnfusion till stor del beror på ultra-kraftfulla magneter och supraledande material, är överlappningen med CERNs expertis uppenbar.
Data bearbetning
När partiklar upptäcks, är flödet av data som genereras på mikrosekunder enormt. Mer problematiskt, kan dessa 40 terabyte per sekund inte lagras för senare bearbetning.
Detta har lett CERNs forskare att bli experter på att utforma algoritmer som kan besluta vilka data som är av störst intresse på flyget.
CERN samarbetar med företag som CEVA (sensorer) eller ABB Motors för att använda sådana algoritmer för att optimera energiförbrukningen av CERNs anläggningar och utrustning under utveckling.
Detta används också av bil säkerhetsföretaget Zenseact för att utveckla låg-latens autonom körningssystem.
Samma principer används för drönare och robotiksystem i allmänhet, bland annat med företaget Terabee.
Aerospace
CERN har en lång erfarenhet av att hantera intensiva och ibland exotiska former av strålning som produceras av dess utrustning och experiment.
Detta kan utnyttjas i praktiska tillämpningar för strålskydd av satelliter och bemannade experiment i rymden, ofta i samarbete med den europeiska rymdorganisationen (ESA).
Till exempel har CERN den enda anläggningen på jorden som kan replikera Jupiters hårda strålningsmiljö.
Andra tillämpningar
CERNs krav på att ha alla sina partikeldetektorer och system i perfekt synkronisering ned till nanosekunden har gjort det till en expert inom detta område.
De öppen källkods-“CERN-födda tids-synkroniserings” standarder kan användas i telekom, finansiella marknader och kvantnätverk. Till exempel använder handelsleverantören Deutsche Börse det i sin handelssysteminfrastruktur.
Utbildning
CERN fungerar också som en utbildningsresurs för avancerad vetenskap och fysik.
Detta inkluderar att tillhandahålla gratis en 3D-skrivbar modell av dess utrustning, förklarande teckningar och seriealbum, och klassmaterial för lärare.
I samma veva tillhandahåller det också gratis sin egen flexibla, högpresterande, öppen källkods digitala biblioteksram, som idag används av bibliotek, universitet och globala institutioner.
CERNs engagemang för att dela kunskap manifesteras också i sin avknoppning Orvium, en publiceringsinfrastruktur för öppen källkods och decentraliserad vetenskaplig publicering.
Slutligen tillhandahåller CERN utbildningsturer av anläggningarna, ett lokalt museum och konstutställningar.
CERNs framtida infrastruktur och prestationer
Hög luminositet LHC (HL–LHC)
Medan CERNs forskare och tekniker arbetar hårt för att få ut så mycket som möjligt från de nuvarande anläggningarna, ser de samtidigt framåt mot nästa steg.
Det första steget kommer att vara “High Luminosity LHC”, eller HL–LHC, en uppgradering som syftar till att öka LHCs luminositet med 10 gånger. Till exempel kommer High-Luminosity LHC att producera minst 15 miljoner Higgs-bosoner per år, jämfört med cirka tre miljoner från LHC 2017.
Källa: CERN
Uppgraderingen kommer att omfatta förbättringar av magneter, supraledande länkar, förstärkt skydd och bättre acceleratorer.
HL–LHC förväntas vara i drift i mitten av 2030-talet, eftersom det civila ingenjörsarbetet började i april 2018, och fick sina första magneter i december 2024.
Framtida cirkulära collider (FCC)
Efter LHC förväntas en jätte på 90 km vara nästa steg för partikelacceleratorer, kallad Framtida cirkulära collider (FFC). Den kommer att byggas på ett genomsnittligt djup av 200 meter (656 fot).
De första experimenten kommer att pågå i 15 år, med start i mitten av 2040-talet med FCC-ee, en elektron-positron-kolliderare. FCC-ees effektförbrukning förväntas variera mellan 1 och 1,8 TWh/år.
En andra maskin, FCC-hh, en proton-proton-kolliderare, skulle installeras i samma tunnel och starta i 2070-talet och köra i mer än 25 år.
Hela projektet förväntas kosta runt 15 miljarder CHF, spridda över 15 år. Den slutliga färdigställningen av genomförbarhetsstudien förväntas 2025, och ett slutgiltigt beslut av CERN-kommittén 2027-2028 och byggnation som börjar i 2030-talet.
FCC kan undersöka partiklar som förutspås av teorier som går utöver standardmodellen för partikelfysik, vilket skulle kräva antingen känsligare detektorer eller kraftfullare acceleration.
Denna djupare förståelse av fysik kommer troligen att vara avgörande för att förbättra prestandan hos datorer och öppna nya möjligheter för materialvetenskap. Och genom att göra det, möjliggöra för mänskligheten att bli en verkligt avancerad civilisation som kan navigera i stjärnorna, skapa verklig artificiell intelligens eller njuta av obegränsad och ren energi.
CERN-relaterat företag
CEVA
(CEVA )
CEVA är ett sensorföretag och en partner med CERN för att använda institutionens algoritmer för att förbättra sin sensorers effektivitet och energiförbrukning. CEVA-lösningar och IP (200 patent) integreras i 18 miljarder enheter.
Företagets lösningar används av många av de ledande elektronikmärkena över hela världen.
Källa: CEVA
Den huvudsakliga tillämpningen av samarbetet mellan CEVA och CERN är “Edge AI”, eller artificiell intelligens som distribueras på enheter bort från datacenter (molnet) och närmare konsumenterna (kanten).
Det kan inte vara förvånande att se partikelfysikaliska algoritmer återanvändas i AI-tillämpningar, eftersom neuronnätverk till exempel användes för att hitta Higgs-bosonpartikeln. Att analysera partikelacceleratordata måste göras på plats istället för i molnet, på grund av den enorma mängden data som produceras mycket snabbt.
Ceva hjälpte CERN att skapa nya komprimeringsalgoritmer som kan användas i framtida experiment och kommer att kunna integrera denna nya teknik i sina produkter.
“Tack vare vårt samarbete med CERN kunde vi utveckla en innovativ ansats som möjliggör att nätverken kan köras upp till 15 gånger snabbare jämfört med 16-bitarsbaslinjemodeller.
Det förbättrar nätverkshastigheten och minskar energiförbrukningen med upp till 90% samtidigt som den bibehåller jämförbar noggrannhet.”
Detta är bara ett av CEVA:s tekniska framsteg, med företaget aktivt inom trådlös anslutning, sensorer (syn, ljud, rörelse), och neuronnätverksalgoritmer.
Källa: CEVA
CEVA har stor nytta av den kombinerade trenden av 5G-anslutning (inklusive satellit-5G) och IoT (Internet of Things) med inbäddad AI-lösning, både för industriell och hemmanvändning. Det är också en ledande aktör inom WiFi 6-lösningar och har en ledande position inom WiFi 7.
Källa: Ruije
Som ett programvaru- och IP-företag är CEVA välkänt och ofta förbisett av investerare som är intresserade av IoT- och 5G-sektorerna.
Det kan vara ett intressant företag på den yttersta gränsen för teknisk framgång inom data bearbetning och edge-AI, som illustreras av CERNs urval av det för att hjälpa till med några av de mest komplexa dataanalyserna som någonsin utförts av mänskligheten.
