CERN: Förstå partiklar för att bygga den moderna världen

CERN som roten till 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 teknologiska innovationer, inklusive datorer, mobiltelefoner, laser, telekommunikation, satelliter, MR, solpaneler, avancerade mikroskop, kärnkraft, etc.

Detta beror på att alla dessa teknologier kräver en djup förståelse av atomers, elektroners och andra partiklers beteende på den minsta skalan. Och dessa är långt ifrån intuitiva, och går långt bortom den förenklade modellen med 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 verkligt globalt och internationellt vetenskapligt initiativ från vilket många andra upptäckter, inklusive själva Internet, har sprungit.

Slutligen har byggandet, driften och uppgraderingen av CERN:s anläggningar varit en viktig drivkraft för att främja forskning och ingenjörskonst inom många avancerade vetenskapsområden som supraledare, sensorer och ultrastarka laser- och magnetsystem.

Ambitiös vetenskap från dag ett

CERN grundades 1954 av 12 europeiska länder, med den franska förkortningen “Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire” som gav den dess namn.

Källa: Wikipedia

Det skulle inte vara en överdrift att säga att en stor del av modern partikel­fysik föddes på CERN, särskilt:

• Upptäckten av de svaga bosonerna som bär en av de fyra grundläggande krafterna, som belönades med Nobelpriset i fysik 1984.
• Den första skapelsen av antihydrogenatomer.
• Upptäckten av ett nytt materietillstånd, kvark‑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 Higgsbosonerna (ansvariga för att ge partiklar deras massa).

Källa: CERN

Idag omfattar CERN 25 länder som fullvärdiga medlemmar och 10 associerade medlemmar, vilket är det första steget innan eventuell fullständigt medlemskap. Till dessa bör även den nära relationen med 3 länder med observatörsstatus (Japan, Ryssland, USA) och samarbete eller vetenskaplig kontakt med nästan varje land på jorden läggas till.

CERN anställer direkt 3 500 personer, där den största gruppen består av forskare och ingenjörer, följt av tekniker, samt strax under hundra forskningsfysiker.

Källa: CERN

CERN:s infrastruktur

Ingen av CERN:s prestationer skulle ha varit möjliga utan den världsledande ingenjörskonst som gick in i byggandet av dess partikelacceleratorer och detektorer.

Partikelacceleratorer fungerar genom att föra partiklar i ett starkt vakuum, fritt från luft eller damm. Kraftfulla elektromagneter och elektriska fält accelererar partiklarna och håller dem konfinerade i acceleratorn. Den accelererade partikeln, ibland med 99,9 % av ljusets hastighet (299 792 458 meter per sekund / 186 000 miles per sekund), träffar antingen en annan partikelstråle eller ett fast mål.

Den extrema hastigheten och energin i dessa kollisioner gör det möjligt för forskare att förstå mer om den grundläggande naturen hos dessa partiklar.

Källa: Department of Energy

Idag är CERN:s huvudpartikelaccelerator LHC (Large Hadron Collider), belägen i Genève, Schweiz. LHC är en underjordisk tunnel så djup som 175 meter (575 fot), som bildar en cirkel med en omkrets på 27 kilometer (17 miles).

I framtiden kan den bli överskuggad av en ännu större 90–100 km accelerator som går under Genèvesjön och runt staden (mer om detta nedan).

Källa: Swisstopo

Idag, utöver den “huvudsakliga” LHC, driver CERN 11 andra partikelacceleratorer för specifika forskningsbehov på tyngre partiklar, protoner, plasma, studier av instabila kärnor, etc. Dessa acceleratorer kompletterar ofta varandra, där många “förser” de nödvändiga partiklarna till de andra i ett komplext sammankopplat system.

Källa: CERN

Institutionen har också inte färre än 11 avvecklade partikelacceleratorer och kolliderare byggda sedan 1950-talet.

CERN‑teknik

LHC

LHC:s djupa underjordiska placering berodde på en blandning av vetenskapliga och ekonomiska skäl. Det är billigare att gräva en tunnel än att förvärva en cirkel med 27 km diameter av markyta, särskilt i den dyra Genèveregionen. Berglagren skärmar dessutom anläggningen från kosmisk och ytradioaktivitet.

Källa: CERN

LHC är den starkaste partikelacceleratorn som någonsin byggts. Den förbrukar i genomsnitt 600 GWh per år, omkring hälften av CERN:s 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 två partikelstrålar, som var och en färdas nära ljusets hastighet, som kolliderar med varandra. De styrs och hålls konfinerade av 9593 supraledande elektromagneter kylda med flytande helium vid -271,3 °C (-456,34 °F).

Den största delen av energiförbrukningen för driften beror på elektromagneterna, både för att driva dem och den energi som krävs för att producera denna enorma mängd flytande helium.

LHC‑mål

LHC utförde sin första kollision 2008 och förväntas drivas fram till 2040-talet. Efter en första period inklusive upptäckten av Higgs‑bosonen, pågår en massiv uppgradering och underhållsarbete för att förbereda den andra perioden, som kommer att öka LHC:s effektivitetsnivåer till 13 TeV (teraelektronvolt) kollisioner.

Efter Higgs‑bosonens upptäckt förväntas LHC hjälpa till att besvara grundläggande frågor om universum, inklusive rollen och naturen hos den så kallade mörka energin och mörk materia.

De extrema energinivåerna som nås bör också ge oss insikter i universums tidiga skede, i ett tillstånd av “kvark‑gluonplasma”.

ATLAS

Ett nyckeltillägg till LHC är ATLAS-partikeldetektorn. Det är den största partikeldetektorn som någonsin byggts, med en längd på 46 meter (150 fot) och en diameter på 25 meter (82 fot).

Detektorerna innehåller över 100 miljoner känsliga elektroniska kanaler för att registrera partiklarna som produceras av kollisionerna.

Den innehåller många subdetektorer, var och en med en separat roll, för att samtidigt detektera fotoner, elektroner, muoner, pioner, etc.

Källa: ATLAS

5900+ fysiker, ingenjörer, tekniker, studenter och administratörer har arbetat med att bygga och driva ATLAS, vilket representerar 180 vetenskapliga institutioner från över 40 länder.

CERN – Teknik som föddes

Alla dessa kilometer av partikelacceleratorer har med tiden levererat mycket användbar teknik till mänskligheten.

Uppfinna Internet

Kanske den mest genomslagande tekniken som någonsin kom från CERN var Internet; verkligen.

CERN skapade TCP/IP-protokollet för sitt eget interna nätverk, och konceptet World Wide Web uppfanns på CERN av Tim Berners‑Lee, som gjorde den allra första webbplatsen (följ länken för att se hur den såg ut).

Det ansågs ursprungligen som ett sätt för forskare att enklare utbyta data och idéer.

Källa: CERN

1993 erbjöd CERN World Wide Web‑programvaran till världen som en immateriell egendom i det offentliga området. Det blev också en pionjär inom grid‑computing, processen att utföra beräkningar genom flera datorer anslutna via webben.

Så kanske paradoxalt, ett av CERN:s största bidrag, en organisation för partikelacceleratorforskning, var att främja fritt utbyte av all kunskap, data och mjukvara, istället för ett kvantfysikexperiment.

Medicinska tillämpningar

En tillämpning av CERN:s forskning är en djupare förståelse av partikelacceleratorer. Mindre acceleratorer används nu rutinmässigt på sjukhus för strålbehandling vid cancer. Kontinuerlig forskning har gjort dem alltmer effektiva, mindre och billigare över tid.

Ett ytterligare bidrag till cancerbehandling är inom området nukleärmedicin, eller att använda sällsynta isotoper för att döda cancerceller.

Sedan 2017 har CERN‑MEDICIS‑infrastrukturen producerat innovativa radioisotoper specifikt för medicinska tillämpningar och levererat dem till läkare och forskare som kan bedöma deras lämplighet för avancerade behandlingar och avbildning.

Några av dessa radioisotoper produceras unikt på CERN.

Medicinsk avbildning är ett annat område där partikel­fysik är avgörande, från röntgen till MR, PET‑scanning och datortomografi (CT).

Flera förbättringar inom hadron‑strålbehandling, liksom medicinsk avbildning kom direkt från sensorerna som utvecklades för ATLAS‑partikeldetektorn.

Under Covid‑pandemin utvecklade CERN ett open‑source‑verktyg (COVID Airborne Risk Assessment tool – CARA) för att modellera viruskoncentration i slutna utrymmen med varierande parametrar, såsom rumsstorlek, tid spenderad i rummet, maskbärande, antal personer och ventilation.

Energi & grön teknik

CERN har samarbetat med Airbus genom att bidra med sin expertis till supraledande kablar för potentiellt lättare flygplan, eller till och med elektriska flygplan.

Institutionens erfarenhet av att testa material vid extremt låga temperaturer är också användbar för att testa potentialen för väte i flygtransport.

CERN samarbetar också tätt med ITER, världens största kärnfusionsprojekt, som kan erbjuda en obegränsad tillgång till ren energi om det lyckas. Med tanke på att kärnfusion i huvudsak förlitar sig på ultrastarka magneter och supraledande material, är överlappningen med CERN:s expertis uppenbar.

Databehandling

När partiklar detekteras genereras en enorm datamängd på mikrosekunder. Ännu mer problematiskt är att dessa 40 terabyte per sekund inte kan lagras för senare bearbetning.

Det har lett CERN‑forskare till att bli experter på att designa algoritmer som kan avgöra vilka data som är mest intressanta i realtid.

CERN samarbetar med företag som CEVA (sensorer) eller ABB Motors för att använda sådana algoritmer för att optimera energiförbrukningen i CERN:s anläggningar och utrustning under utveckling.

Detta används också av bilsäkerhetsföretaget Zenseact för att utveckla låglatenssystem för autonom körning.

Samma principer implementeras i drönare och robotiksystem i allmänhet, särskilt med företaget Terabee.

Luft- och rymdteknik

CERN har 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 Europeiska rymdorganisationen (ESA).

Till exempel har CERN den enda anläggning på jorden som kan replikera Jupiters hårda strålningsmiljö.

Andra tillämpningar

CERN:s krav på att alla dess partikel­detektorer och system ska vara i perfekt synkronisering ner till nanosekundnivå har gjort dem till experter inom detta område också.

De open‑source‑standarderna för “CERN‑födda tidssynkronisering” kan användas i telekommunikation, finansmarknader och kvantnätverk. Till exempel använder handelsleverantören Deutsche Börse dem i sin handelsinfrastruktur.

Utbildning

CERN fungerar också som en utbildningsresurs för avancerade vetenskaper och fysik.

Det inkluderar att gratis tillhandahålla en 3D‑skrivbar modell av sin utrustning, förklarande tecknade serier och serietidningar, samt klassrumsmaterial för lärare.

I parallell tillhandahåller CERN gratis sitt eget flexibla, högpresterande, open‑source‑ramverk för digitala bibliotek, som idag används av bibliotek, universitet och globala institutioner.

CERN underhåller världens största allmänna forskningsarkiv, baserat på samma digitala bibliotekramverk. Detta användarvänliga arkiv möjliggör för forskare inom alla fält att bevara och dela sina forskningsresultat.

Engagemanget från CERN för att dela kunskap manifesteras också i deras spin‑off Orvium, en publiceringsinfrastruktur för open‑source och decentraliserade vetenskapliga publikationer.

Slutligen erbjuder CERN utbildningsturer av anläggningarna, ett lokalt museum och konstutställningar.

CERN:s framtida infrastruktur & prestationer

High Luminosity LHC (HL–LHC)

Medan CERN:s forskare och tekniker arbetar hårt för att få så mycket som möjligt ur de nuvarande installationerna, tittar de samtidigt på nästa steg.

Den första kommer att vara “High Luminosity LHC”, eller HL–LHC, en uppgradering som syftar till att öka LHC:s luminositet med 10‑fald. Till exempel kommer High‑Luminosity LHC att producera minst 15 miljoner Higgs‑bosoner per år, jämfört med omkring tre miljoner från LHC år 2017.

Källa: CERN

Uppgraderingen kommer att inkludera förbättringar i magneter, supraledande länkar, förstärkt skydd och bättre acceleratorer.

HL–LHC bör vara i drift i mitten av 2030‑talen, då civila byggnadsarbeten påbörjades i april 2018, och mottog sina första magneter i december 2024.

Framtida cirkulära kolliderare (FCC)

Efter LHC förväntas en gigantisk 90 km design vara nästa steg för partikelacceleratorer, kallad Future Circular Collider (FCC). 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‑talen med FCC-ee, en elektron‑positron‑kolliderare. FCC-ee:s energiförbrukning 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 på 2070‑talen och drivas i mer än 25 år.

Det hela projektet förväntas kosta omkring CHF 15 bn, fördelat över 15 år. Slutlig färdigställning av genomförbarhetsstudien förväntas 2025, med ett slutgiltigt beslut av CERN‑kommittén år 2027‑2028 och byggstart på 2030‑talen.

FCC skulle kunna undersöka partiklar som förutsägs av teorier som går bortom standardmodellen för partikel­fysik, vilket skulle kräva antingen mer känsliga detektorer eller kraftfullare acceleration.

Den djupare förståelsen av fysik kommer sannolikt vara avgörande för att förbättra prestanda hos datorer och öppna nya möjligheter för materialvetenskap. Och genom att göra så möjliggör det för mänskligheten att bli en verkligt avancerad civilisation som kan navigera stjärnorna, skapa sann artificiell intelligens, eller njuta av obegränsad riklig energi.

CERN‑relaterat företag

CEVA

CEVA är ett sensorföretag och en partner till CERN för att använda institutionens algoritm för att förbättra sina sensors effektivitet och energiförbrukning. CEVA:s lösningar och IP (200 patent) integreras i 18 miljarder enheter.

Företagets lösningar används av många av de ledande elektronikmärkena världen över.

Källa: CEVA

Huvudapplikationen av samarbetet mellan CEVA och CERN är “Edge AI”, eller artificiell intelligens som implementeras på enheter bort från datacentra (molnet) och närmare konsumenterna (kanten).

Det är kanske inte förvånande att se partikel­fysikalgoritmer återanvändas i AI‑tillämpningar, eftersom neurala nätverk exempelvis användes för att hitta Higgs‑bosonpartikeln. Analys av data från partikelacceleratorer 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 ett innovativt tillvägagångssätt som möjliggör att nätverken kör upp till 15 x snabbare jämfört med 16‑bit baslinjemodeller.

Det förbättrar nätverkshastigheten och minskar energiförbrukningen med upp till 90 % samtidigt som noggrannheten förblir jämförbar.

Olya Sirkin – Senior Deep Learning Researcher at Ceva

Detta är bara ett av CEVA:s teknologiska framsteg, med företaget aktivt inom trådlös anslutning, sensorer (vision, audio, motion) och neurala nätverksalgoritmer.

Källa: CEVA

CEVA drar stor nytta av den kombinerade trenden av 5G‑anslutning (inklusive satellit‑5G) och IoT (Internet of Things) med inbäddade AI‑lösningar, både för industriella och hemmetlösningar. Det är också en ledare inom WiFi 6‑lösningar och har en ledande position inom WiFi 7.

Källa: Ruije

Som ett mjukvaru‑ och IP‑företag är CEVA välkänt och ofta förbises av investerare som är intresserade av IoT‑ och 5G‑sektorerna.

Det kan vara ett intressant företag i den allra främsta kanten av teknologisk utveckling inom databehandling och Edge AI, vilket illustreras av CERN:s val att anlita dem för att hjälpa till med några av de mest komplexa dataanalyser som någonsin utförts av mänskligheten.