CERN: Pag-unawa sa mga Partikulo para Bumuo ng Makabagong Mundo

CERN Bilang Ugat ng Makabagong Agham

Ang European Organization for Nuclear Research, o CERN, ay isa sa mga pinakamahalagang pasilidad sa mundo para sa pag-aaral ng mga subatomikong partikulo at pundamental na pisika.

Mahalagang gawain ito, dahil ang quantum physics at relativity ay ang mga pundamental na agham sa likod ng marami, kung hindi man karamihan, ng mga makabagong teknolohikal na inobasyon ng mundo, kabilang ang mga computer, mga cell phone, mga laser, telekomunikasyon, mga satelayt, MRI, mga solar panel, mga advanced na mikroskopyo, enerhiyang nuklear, atbp.

Ito ay dahil ang lahat ng mga teknolohiyang ito ay nangangailangan ng malalim na pag-unawa sa pag-uugali ng mga atom, electron, at iba pang mga partikulo sa pinakamaliit na sukat. At ang mga ito ay hindi basta-basta, lampas pa sa pinasimpleng modelo ng mga electron na umiikot sa nucleus ng atom. Halimbawa, kahit ang pinakasimpleng atom, ang hydrogen, ay nangangailangan ng komplikadong ekwasyon upang ilarawan kung paano talagang kumikilos ang mga electron nito.

Pinagmulan: Department of Energy

Ang CERN ay naging isang tunay na pandaigdigan at internasyonal na inisyatibong siyentipiko kung saan maraming iba pang mga tuklas, kabilang ang mismong Internet, ang umusbong.

Sa huli, ang pagtatayo, pagpapatakbo, at pag-upgrade ng mga pasilidad ng CERN ay naging pangunahing puwersa sa pagpapasigla ng pananaliksik at inhinyeriya sa maraming advanced na larangan ng agham tulad ng mga superconductor, sensor, at ultra-makapangyarihang laser at magnet.

Ambisyosong Agham Mula sa Unang Araw

Itinatag ang CERN noong 1954 ng 12 bansa sa Europa, na may Pranses na akronim na “Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire” na nagbigay dito ng pangalan.

Pinagmulan: Wikipedia

Hindi magiging labis na pagsasabi na isang malaking bahagi ng modernong particle physics ay isinilang sa CERN, partikular na:

• Ang pagtuklas ng mga weak boson na nagdadala ng isa sa 4 na pundamental na puwersa, ay ginawaran ng Nobel Prize sa Pisika noong 1984.
• Ang unang paglikha ng mga antihydrogen atom.
• Ang pagtuklas ng isang bagong estado ng materya, ang quark-gluon plasma.
• Nobel Prize sa Pisika noong 1992 sa isang mananaliksik ng CERN para sa kanyang imbensyon at pag-develop ng mga particle detector.
• Nobel Prize sa Pisika noong 2013 sa mga mananaliksik ng CERN para sa paglalarawan at obserbasyon ng mga Higgs boson (na responsable sa pagbibigay ng masa sa mga partikulo).

Pinagmulan: CERN

Sa kasalukuyan, ang CERN ay kinabibilangan ng 25 bansa bilang ganap na miyembro at 10 associate members, na siyang unang hakbang bago ang posibleng ganap na pagiging miyembro. Dapat din idagdag dito ang malapit na ugnayan sa 3 bansa na may observer status (Japan, Russia, USA) at pakikipagtulungan o siyentipikong kontak sa halos bawat bansa sa mundo.

Direktang nag-eempleyo ang CERN ng 3,500 na tao, kung saan ang pinakamalaking grupo ay binubuo ng mga siyentipiko at inhinyero, sinusundan ng mga tekniko, at sinusundan ng humigit-kumulang isang daang research physicist.

Pinagmulan: CERN

Imprastruktura ng CERN

Walang sinuman sa mga tagumpay ng CERN ang magiging posible kung wala ang world-class engineering na inilaan sa pagtatayo ng kanyang particle accelerator at mga detector.

Ang mga particle accelerator ay gumagana sa pamamagitan ng paggalaw ng mga partikulo sa isang malakas na vacuum, na walang hangin o alikabok. Ang makapangyarihang mga electromagnet at electric field ay nagpapabilis sa mga partikulo at pinapanatiling nakapaloob sa accelerator. Ang pinalakas na partikulo, kung minsan ay umaabot sa 99.9% ng bilis ng liwanag (299 792 458 metro bawat segundo / 186,000 milya bawat segundo), ay tumatama sa isa pang particle beam o sa isang nakapirming target.

Ang napakabilis na bilis at enerhiya sa mga banggaan na ito ay nagbibigay-daan sa mga siyentipiko na mas maunawaan ang pundamental na kalikasan ng mga partikulong ito.

Pinagmulan: Department of Energy

Sa kasalukuyan, ang pangunahing particle accelerator ng CERN ay ang LHC (Large Hadron Collider), na matatagpuan sa Geneva, Switzerland. Ang LHC ay isang underground tunnel na may lalim na hanggang 175 metro (575 talampakan), na bumubuo ng isang bilog na 27 kilometro (17 milya) ang paligid.

Sa hinaharap, maaaring mapalitan ito ng isang mas malaking accelerator na 90‑100 km na magdadaan sa ilalim ng Geneva Lake at sa paligid ng lungsod (karagdagang detalye sa ibaba).

Pinagmulan: Swisstopo

Sa kasalukuyan, bukod sa “pangunahing” LHC, nagpapatakbo ang CERN ng 11 pang particle accelerator para sa mga tiyak na pangangailangan sa pananaliksik sa mas mabibigat na partikulo, proton, plasma, pag-aaral ng hindi matatag na nuclei, atbp. Ang mga particle accelerator na ito ay madalas na nagkokomplemento sa isa’t isa, kung saan marami ang “nagpapakain” ng kinakailangang mga partikulo sa isa’t isa sa isang komplikadong interlocking system.

Pinagmulan: CERN

Ang institusyon ay mayroon ding hindi bababa sa 11 na decommissioned na particle accelerator at collider na itinayo mula pa noong 1950s.

Teknolohiya ng CERN

LHC

Ang malalim na lokasyon ng LHC sa ilalim ng lupa ay resulta ng halo ng mga siyentipiko at pinansyal na kadahilanan. Mas mura ang maghukay ng tunnel kaysa kumuha ng isang bilog na may 27 km na diyametro ng lupain sa ibabaw, lalo na sa mamahaling rehiyon ng Geneva. Ang mga patong-patong na bato ay nagsisilbing kalasag laban sa cosmic at surface radiation.

Pinagmulan: CERN

Ang LHC ay ang pinakamalakas na particle accelerator na kailanman itinayo. Gumagamit ito, sa karaniwan, ng 600 GWH kada taon, halos kalahati ng kabuuang konsumo ng enerhiya ng CERN na 1.3 TWh. Upang mailarawan, ang buong Pransya ay kumokonsumo ng 500 TWh, ang EU 3400 TWh, at ang mundo 20 000 TWh.

Ang LHC ay gumagawa ng 2 particle beam, bawat isa ay naglalakbay malapit sa bilis ng liwanag, na nagbabanggaan sa isa’t isa. Sila ay ginagabayan at pinipigil sa pamamagitan ng 9593 superconducting electromagnets na pinalamig ng liquid helium sa -271.3 °C (-456.34 °F).

Karamihan sa konsumo ng enerhiya ng operasyon ay dahil sa mga electromagnet, kapwa sa pagpapatakbo nito at sa enerhiyang kinakailangan upang lumikha ng napakalaking dami ng liquid helium.

Mga Layunin ng LHC

Ang LHC ay nagsagawa ng unang banggaan noong 2008 at inaasahang tatakbo hanggang 2040s. Pagkatapos ng unang takbo na kinabibilangan ng pagtuklas ng Higgs boson, kasalukuyang isinasagawa ang isang malawak na upgrade at maintenance work upang ihanda ang ikalawang takbo, na magpapataas ng power level ng LHC sa 13 TeV (tera electronvolts) na banggaan.

Pagkatapos ng pagtuklas ng Higgs boson, inaasahang tutulong ang LHC na sagutin ang mga pundamental na tanong tungkol sa Uniberso, kabilang ang papel at kalikasan ng tinatawag na dark energy at dark matter.

Ang napakataas na antas ng enerhiya na naabot ay dapat ding magbigay sa atin ng mga pananaw sa maagang yugto ng Uniberso, sa isang estado ng “quark-gluon plasma”.

ATLAS

Isang mahalagang karagdagan sa LHC ay ang ATLAS particle detector. Ito ang pinakamalaking particle detector na kailanman itinayo, na may habang 46 metro (150 talampakan) at diyametro na 25 metro (82 talampakan).

Ang mga detector ay naglalaman ng higit sa 100 million na sensitibong elektronikong channel upang irekord ang mga partikulong nalikha ng mga banggaan.

Naglalaman ito ng maraming sub-detector, bawat isa ay may hiwalay na papel, upang sabay-sabay na matuklasan ang mga photon, electron, muon, pion, atbp.

Pinagmulan: ATLAS

Mahigit 5900 na physicist, inhinyero, tekniko, estudyante, at administrador ang nagtrabaho sa pagbuo at pagpapatakbo ng ATLAS, na kumakatawan sa 180 na institusyong siyentipiko mula sa 40+ bansa.

CERN – Mga Teknolohiyang Ipinanganak

Lahat ng mga kilometro ng particle accelerator na ito ay nagbigay ng maraming kapaki-pakinabang na teknolohiya sa sangkatauhan sa paglipas ng panahon.

Pag-imbento ng Internet

Marahil ang pinaka-impluwensyal na teknolohiya na nagmula sa CERN ay ang Internet; talagang totoo.

Nilikha ng CERN ang TCP/IP protocol para sa sarili nitong internal network, at ang konsepto ng World Wide Web ay iniimbento sa CERN ni Tim Berners‑Lee, na gumawa ng unang website (pindutin ang link upang makita kung paano ito hitsura).

Noong una, ito ay iniisip bilang isang paraan para sa mga mananaliksik na magpalitan ng datos at ideya nang mas madali.

Pinagmulan: CERN

Noong 1993, inalok ng CERN ang World Wide Web software sa buong mundo bilang pampublikong domain intellectual property. Naging pioneer din ito sa grid computing, ang proseso ng pagsasagawa ng kalkulasyon sa pamamagitan ng maraming computer na konektado sa web.

Kaya marahil paradoksal, isa sa pinakamalaking kontribusyon ng CERN, isang organisasyon sa pananaliksik ng particle accelerator, ay ang pagpapalakas ng libreng palitan ng lahat ng kaalaman, datos, at software, sa halip na isang quantum physics experiment.

Mga Medikal na Aplikasyon

Isang aplikasyon ng pananaliksik ng CERN ay ang mas malalim na pag-unawa sa mga particle accelerator. Ang mas maliit na sukat na accelerator ay ngayon regular na ginagamit sa mga ospital para sa radiotherapy sa paggamot ng kanser. Ang patuloy na pananaliksik ay nagpagaling sa kanilang kahusayan, pagiging mas maliit, at mas mura sa paglipas ng panahon.

Ang karagdagang kontribusyon sa therapy ng kanser ay nasa larangan ng nuclear medicine, o paggamit ng mga bihirang isotopo upang patayin ang mga selulang kanser.

Mula noong 2017, ang imprastruktura ng CERN-MEDICIS ay gumagawa ng mga makabagong radioisotope na partikular para sa mga medikal na aplikasyon at ibinibigay ito sa mga doktor at mananaliksik na maaaring tasahin ang kanilang pagiging angkop para sa mga advanced na paggamot at imaging.

Ang ilang mga radioisotope ay natatanging ginagawa lamang sa CERN.

Ang medikal na imaging ay isa pang larangan kung saan napakahalaga ng particle physics, mula sa X‑ray hanggang MRI, PET scan, at computed tomography (CT).

Maraming pagpapabuti sa hadron radiotherapy, pati na rin sa medikal na imahinasyon, ay direktang nagmula sa mga sensor na binuo para sa ATLAS particle detector.

Sa panahon ng Covid pandemic, nag-develop ang CERN ng isang open‑source tool (COVID Airborne Risk Assessment tool – CARA) upang i-modelo ang konsentrasyon ng virus sa mga saradong espasyo na may iba’t ibang parameter, tulad ng laki ng silid, oras na ginugol sa silid, pagsusuot ng maskara, bilang ng tao, at bentilasyon.

Enerhiya at Green Tech

Nakikipagtulungan ang CERN sa Airbus sa pamamagitan ng pagdadala ng kanilang kadalubhasaan sa superconducting cable para sa posibleng mas magaan na eroplano, o kahit electric na eroplano.

Ang karanasan ng institusyon sa pagsubok ng materyal sa napakababang temperatura ay kapaki-pakinabang din para sa pagsubok ng potensyal ng hydrogen sa transportasyon ng eroplano.

Nakikipagtulungan din ang CERN nang mahigpit sa ITER, ang pinakamalaking nuclear fusion project sa mundo, na maaaring magbigay ng walang limitasyong suplay ng malinis na enerhiya kung ito ay magtatagumpay. Dahil ang nuclear fusion ay pangunahing nakasalalay sa ultra‑powerful na magnet at superconductor material, malinaw ang pagkakatugma sa kadalubhasaan ng CERN.

Pagproseso ng Data

Kapag natuklasan ang mga partikulo, ang daloy ng data na nabubuo sa loob ng microseconds ay napakalaki. Mas problema pa, ang 40 terabytes bawat segundo ay hindi maaaring itago para sa pagproseso sa hinaharap.

Ito ay nagdala sa mga siyentipiko ng CERN na maging eksperto sa pagdidisenyo ng mga algorithm na kayang magpasya kung aling data ang pinaka‑interesante sa real‑time.

Ang CERN ay nakikipagtulungan sa mga kumpanya tulad ng CEVA (sensor) o ABB Motors upang gamitin ang mga algorithm na ito sa pag‑optimize ng konsumo ng enerhiya ng mga pasilidad at kagamitan ng CERN na nasa development.

Ginagamit din ito ng kumpanya ng kaligtasan sa sasakyan na Zenseact upang mag‑develop ng low‑latency autonomous driving systems.

Ang parehong prinsipyo ay inilalapat sa mga drone at robotics system sa pangkalahatan, partikular sa kumpanya na Terabee.

Aerospace

May matagal nang karanasan ang CERN sa pagharap sa matindi at minsang kakaibang anyo ng radiation na nililikha ng kanilang kagamitan at eksperimento.

Maaaring magamit ito sa praktikal na aplikasyon para sa radiation shielding ng mga satelayt at mga pinagmulan ng tao sa kalawakan, madalas na sa pakikipagtulungan sa European Space Agency (ESA).

Halimbawa, ang CERN lamang ang may instalasyon sa mundo na kayang gayahin ang mapanghamong radiation environment ng Jupiter.

Iba pang Mga Aplikasyon

Ang pangangailangan ng CERN na magkaroon ng lahat ng particle detector at sistema nito sa perpektong synchronization hanggang sa nanosecond ay nagpatunay na ito ay isang dalubhasa sa larangang ito rin.

Ang open‑source na “CERN‑born time‑synchronisation” standards ay maaaring magamit sa telecom, financial markets, at quantum networks. Halimbawa, ang trading provider na Deutsche Börse ay gumagamit nito sa kanilang trading system infrastructure.

Edukasyon

Ang CERN ay nagsisilbing mapagkukunan ng edukasyon para sa advanced na agham at pisika.

Kabilang dito ang libreng pagbibigay ng 3D‑printable na modelo ng kanilang kagamitan, mga paliwanag na cartoon at comic book, at mga materyales sa silid‑aralan para sa mga guro.

Kasabay nito, nagbibigay ito nang libreng flexible, high‑performance, open‑source digital library framework, na ngayon ay ginagamit ng mga aklatan, unibersidad, at pandaigdigang institusyon.

Pinananatili ng CERN ang pinakamalaking pangkalahatang‑layunin na research repository sa mundo, batay sa parehong digital library framework. Ang madaling gamitin na repository na ito ay nagbibigay-daan sa mga siyentipiko mula sa anumang larangan na mapanatili at ibahagi ang kanilang mga output sa pananaliksik.

Ang dedikasyon ng CERN sa pagbabahagi ng kaalaman ay makikita rin sa kanilang spin‑off na Orvium, isang publishing infrastructure para sa open‑source at decentralized na siyentipikong publikasyon.

Sa huli, nag-aalok ang CERN ng mga edukasyonal na pag‑tour sa mga pasilidad, isang lokal na museo, at mga eksibisyon ng sining.

Hinaharap na Imprastruktura at mga Tagumpay ng CERN

High Luminosity LHC (HL–LHC)

Habang ang mga mananaliksik at tekniko ng CERN ay nagsusumikap upang makuha ang pinakamalaking benepisyo mula sa kasalukuyang mga pasilidad, sabay rin nilang tinitingnan ang mga susunod na hakbang.

Ang una ay ang “High Luminosity LHC”, o HL–LHC, isang upgrade na naglalayong pataasin ang luminosity ng LHC ng 10 beses. Halimbawa, ang High‑Luminosity LHC ay magpoproduce ng hindi bababa sa 15 million Higgs boson kada taon, kumpara sa humigit‑kumulang tatlong milyon mula sa LHC noong 2017.

Pinagmulan: CERN

Ang upgrade ay magsasama ng mga pagpapabuti sa mga magnet, superconductor link, pinatibay na proteksyon, at mas magagandang accelerator.

Ang HL–LHC ay dapat maging operational sa kalagitnaan ng 2030s, matapos magsimula ang civil engineering work noong Abril 2018, at natanggap ang unang mga magnet noong Disyembre 2024.

Future Circular Collider (FCC)

Pagkatapos ng LHC, inaasahang susunod na hakbang ay isang napakalaking 90 km na disenyo, na tinatawag na Future Circular Collider (FCC). Ito ay itatayo sa average na lalim na 200 metro (656 talampakan).

Ang unang mga eksperimento ay tatagal ng 15 taon, magsisimula sa kalagitnaan ng 2040s sa FCC‑ee, isang electron‑positron collider. Ang konsumo ng enerhiya ng FCC‑ee ay inaasahang mag‑vary sa pagitan ng 1 at 1.8 TWh/taon.

Ang ikalawang makina, ang FCC‑hh, isang proton‑proton collider, ay ilalagay sa parehong tunnel at magsisimula sa 2070s at tatakbo nang higit sa 25 taon.

Ang buong proyekto ay inaasahang aabutin ng humigit‑kumulang CHF15 bilyon, hati sa 15 taon. Ang huling pagkumpleto ng feasibility study ay inaasahang sa 2025, na may pinal na desisyon ng komite ng CERN pagsapit ng 2027‑2028 at magsisimula ang konstruksyon sa 2030s.

Ang FCC ay maaaring magsiyasat ng mga partikulo na inihula ng mga teorya na lumalampas sa standard model ng particle physics, na mangangailangan ng mas sensitibong detector o mas makapangyarihang acceleration.

Ang mas malalim na pag-unawa sa pisika ay malamang na magiging susi sa pagpapabuti ng performance ng mga computer at pagbubukas ng mga bagong posibilidad para sa material sciences. At sa paggawa nito, magbibigay-daan sa sangkatauhan na maging tunay na advanced na sibilisasyon na kayang maglakbay sa mga bituin, lumikha ng tunay na artificial intelligence, o magtamasa ng walang limitasyong enerhiya.

Kumpanyang Kaugnay ng CERN

CEVA

Ang CEVA ay isang kumpanya ng sensor at isang kasosyo ng CERN upang gamitin ang algorithm ng institusyon upang mapabuti ang kahusayan at konsumo ng enerhiya ng kanilang mga sensor. Ang mga solusyon at IP ng CEVA (200 patents) ay integrated sa 18 bilyong device.

Ang mga solusyon ng kumpanya ay ginagamit ng maraming nangungunang elektronikong brand sa buong mundo.

Pinagmulan: CEVA

Ang pangunahing aplikasyon ng kolaborasyon sa pagitan ng CEVA at CERN ay “Edge AI”, o mga aplikasyon ng artificial intelligence na inilalagay sa mga device na malayo sa data center (cloud) at mas malapit sa mga konsyumer (edge).

Hindi nakapagtataka na makita ang mga algorithm ng particle physics na muling ginagamit sa mga AI application, tulad ng paggamit ng neural networks, halimbawa, sa paghahanap ng Higgs boson particle. Ang pag‑analyze ng data ng particle accelerator ay kailangang gawin on‑site sa halip na sa cloud, dahil sa napakalaking dami ng data na mabilis na nalilikha.

Tinulungan ng CEVA ang CERN na lumikha ng mga bagong compression algorithm na maaaring magamit sa mga susunod na eksperimento at mag‑integrate ng bagong teknolohiyang ito sa kanilang mga produkto.

“Salamat sa aming kolaborasyon sa CERN, nakabuo kami ng isang makabagong pamamaraan na nagpapahintulot sa mga network na tumakbo nang hanggang 15 beses na mas mabilis kumpara sa 16‑bit baseline models.

Pinapabilis nito ang bilis ng network at binabawasan ang konsumo ng enerhiya ng hanggang 90% habang pinapanatili ang katumbas na katumpakan.”

Olya Sirkin – Senior Deep Learning Researcher at CEVA

Ito ay isa lamang sa mga teknolohikal na pag‑unlad ng CEVA, na aktibo sa wireless connectivity, sensor (vision, audio, motion), at neural network algorithm.

Pinagmulan: CEVA

Ang CEVA ay lubos na nakikinabang mula sa pinagsamang trend ng 5G connectivity (kasama ang satellite 5G) at IoT (Internet of Things) na may embedded AI solutions, kapwa para sa industriyal at pang‑bahay na solusyon. Isa rin itong lider sa WiFi 6 solutions at may nangungunang posisyon sa WiFi 7.

Pinagmulan: Ruije

Bilang isang software at IP company, ang CEVA ay kilala at madalas na napapabayaan ng mga mamumuhunan na interesado sa IoT at 5G sectors.

Maaaring ito ay isang kawili‑wisang kumpanya sa mismong gilid ng teknolohikal na pag‑unlad sa pagproseso ng data at edge AI, tulad ng ipinapakita ng pagpili ng CERN sa kanila upang tumulong sa ilan sa pinakamalalim na data analysis na kailanman ginawa ng sangkatauhan.