CERN: Modern Dünyayı İnşa Etmek İçin Parçacıkları Anlamak

CERN Modern Bilimin Kökü Olarak

Avrupa Nükleer Araştırma Örgütü (CERN), atom altı parçacıkların ve temel fiziğin incelenmesinde dünyadaki en önemli merkezlerden biri olmuştur.

Bu önemli bir çalışmadır, çünkü kuantum fiziği ve görelilik, modern dünyanın teknolojik yeniliklerinin çoğunun, hatta çoğunun arkasındaki temel bilimlerdir. Bilgisayarlar, cep telefonları, lazerler, telekomünikasyon, uydular, MRI, güneş panelleri, gelişmiş mikroskoplar, nükleer enerji vb.

Bunun nedeni, tüm bu teknolojilerin atomların, elektronların ve diğer parçacıkların davranışlarının en küçük ölçekte derinlemesine anlaşılmasını gerektirmesidir. Ve bunların hepsi neredeyse sezgiseldir ve atom çekirdeğinin yörüngesindeki elektronların basitleştirilmiş modelinin çok ötesine geçer. Örneğin, mümkün olan en basit atom olan hidrojen bile, elektronlarının gerçekte nasıl davrandığını açıklamak için karmaşık bir denklem gerektirir.

Kaynak: Enerji Bakanlığı

CERN aynı zamanda, İnternet'in kendisi de dahil olmak üzere pek çok başka keşfin ortaya çıktığı gerçek anlamda küresel ve uluslararası bir bilimsel girişim olmuştur.

Son olarak, CERN tesislerinin inşası, işletilmesi ve yükseltilmesi, süperiletkenler, sensörler ve ultra güçlü lazerler ve mıknatıslar gibi birçok ileri bilimsel alanda araştırma ve mühendisliğin artmasında önemli bir itici güç olmuştur.

İlk Günden İtibaren Hırslı Bilim

CERN, 1954 yılında 12 Avrupa ülkesi tarafından Fransızca kısaltmasıyla kuruldu.Conseil Européen la Recherche Nucléaire dökün"adını da buradan alıyor.

Kaynak: Vikipedi

Modern parçacık fiziğinin büyük bir bölümünün CERN'de doğduğunu söylemek abartı olmaz, özellikle:

• 4 temel kuvvetten birini taşıyan zayıf bozonların keşfi, 1984 yılında Fizik Nobel Ödülü'ne layık görüldü.
• İlk antihidrojen atomunun yaratılışı.
• Maddenin yeni bir hali olan kuark-gluon plazmasının keşfi.
• Parçacık dedektörlerinin icadı ve geliştirilmesinden dolayı 1992 Nobel Fizik Ödülü'ne CERN araştırmacısı layık görüldü.
• Parçacıklara kütlelerini veren Higgs bozonlarını tanımlamaları ve gözlemlemeleri nedeniyle CERN araştırmacılarına 2013 Nobel Fizik Ödülü verildi.

Kaynak: CERN

Bugün CERN, potansiyel tam üyelikten önceki ilk adım olan 25 ülkeyi tam üye ve 10 yardımcı üye olarak içeriyor. Bunlara ayrıca gözlemci statüsüne sahip 3 ülkeyle (Japonya, Rusya, ABD) yakın ilişki ve Dünya'daki hemen hemen her ülkeyle işbirliği veya bilimsel temas da eklenmelidir.

CERN'de doğrudan 3,500 kişi çalışıyor; en büyük grubu bilim insanları ve mühendisler oluşturuyor, onları teknisyenler, ardından da yüzün biraz altında araştırmacı fizikçiler takip ediyor.

Kaynak: CERN

CERN Altyapıları

CERN'in elde ettiği hiçbir başarı, parçacık hızlandırıcısı ve dedektörlerinin yapımında kullanılan dünya standartlarındaki mühendislik olmadan mümkün olamazdı.

Parçacık hızlandırıcıları parçacıkları hava veya tozdan arındırılmış güçlü bir vakumda hareket ettirerek çalışır. Güçlü elektromıknatıslar ve elektrik alanları parçacıkları hızlandırır ve hızlandırıcıda hapseder. Bazen ışık hızının %99.9'u (saniyede 299 792 458 metre / saniyede 186,000 mil) olan hızlandırılmış parçacık, başka bir parçacık ışınına veya sabit bir hedefe çarpar.

Bu çarpışmalardaki aşırı hız ve enerji, bilim insanlarının bu parçacıkların temel doğasını daha iyi anlamalarına olanak sağlıyor.

Kaynak: Enerji Bakanlığı

Günümüzde CERN'in ana parçacık hızlandırıcısı, İsviçre'nin Cenevre kentinde bulunan LHC'dir (Büyük Hadron Çarpıştırıcısı). LHC, çevresi 175 kilometre (575 mil) olan bir daire oluşturan, 27 metre (17 fit) kadar derin bir yeraltı tünelidir.

Gelecekte, Cenevre Gölü'nün altından ve şehrin etrafından geçecek 90-100 km'lik daha büyük bir hızlandırıcı tarafından gölgede bırakılabilir (aşağıda bu konuda daha fazla bilgi bulabilirsiniz).

Kaynak: İsviçretoposu

Bugün, CERN, "ana" LHC'nin yanı sıra, daha ağır parçacıklar, protonlar, plazma, kararsız çekirdeklerin incelenmesi vb. üzerindeki özel araştırma ihtiyaçları için 11 tane daha parçacık hızlandırıcısı işletiyor. Bu parçacık hızlandırıcıları genellikle birbirini tamamlıyor ve birçoğu gerekli parçacıkları karmaşık bir iç içe geçmiş sistem içinde diğerlerine "besliyor".

Kaynak: CERN

Kurumda ayrıca 11'lerden bu yana inşa edilmiş en az 1950 adet devre dışı bırakılmış parçacık hızlandırıcı ve çarpıştırıcısı bulunuyor.

CERN Teknolojisi

LHC

LHC'nin yeraltındaki derin konumu, bilimsel ve finansal nedenlerin bir karışımından kaynaklanmıştır. Özellikle pahalı Cenevre bölgesinde, 27 km çapında bir yüzey arazisi elde etmektense tünel kazmak daha ucuzdur. Kaya katmanları ayrıca tesisi kozmik ve yüzey radyasyonundan korur.

Kaynak: CERN

LHC, şimdiye kadar üretilmiş en güçlü parçacık hızlandırıcısıdır. Yılda ortalama 600 GWH tüketir; bu da CERN'in 1.3 TWh olan toplam enerji tüketiminin yaklaşık yarısıdır. Karşılaştırmak gerekirse, Fransa'nın tamamı 500 TWh, AB 3400 TWh ve dünya 20,000 TWh tüketmektedir.

LHC, her biri ışık hızına yakın bir hızda hareket eden 2 parçacık demetini birbiriyle çarpıştırır. Bunlar yönlendirilir ve sınırlandırılır 9593 süperiletken elektromıknatıs tarafından -271.3°C (-456.34°F) sıcaklıkta sıvı helyumla soğutuldu.

Operasyonun enerji tüketiminin büyük kısmı, hem bunları çalıştıran elektromıknatıslardan, hem de bu büyük miktardaki sıvı helyumu üretmek için gereken enerji yayılmasından kaynaklanmaktadır.

LHC Hedefleri

LHC, ilk çarpışmasını 2008 yılında gerçekleştirdi ve 2040'lara kadar devam etmesi bekleniyor. Higgs bozonunun keşfini de içeren ilk çarpışmanın ardından, LHC'nin güç seviyelerini 13 TeV (tera elektronvolt) çarpışmalara çıkaracak olan ikinci çarpışmaya hazırlanmak için büyük çaplı bir iyileştirme ve bakım çalışması devam ediyor.

Higgs bozonunun keşfinden sonra LHC'nin, karanlık enerji ve karanlık madde olarak adlandırılan şeylerin rolü ve doğası da dahil olmak üzere evren hakkındaki temel soruların yanıtlanmasına yardımcı olması bekleniyor.

Ulaşılan aşırı enerji seviyeleri bize aynı zamanda Evrenin “kuark-gluon plazması” halindeki erken evresi hakkında da fikir vermeli.

ATLAS

LHS'nin önemli bir tamamlayıcısı ATLAS parçacık dedektörüdür. 46 metre (150 fit) uzunluğunda ve 25 metre (82 fit) çapında olan bu dedektör şimdiye kadar yapılmış en büyük parçacık dedektörüdür.

Dedektörler, çarpışmalar sonucu oluşan parçacıkları kaydetmek için 100 milyondan fazla hassas elektronik kanala sahip.

İçerisinde her biri ayrı bir rol oynayan çok sayıda alt dedektör bulunmaktadır ve bu dedektörler aynı anda fotonları, elektronları, müonları, pionları vb. tespit edebilmektedir.

Kaynak: ATLAS

ATLAS'ın inşasında ve işletilmesinde 5900'tan fazla ülkeden 180 bilimsel kurumu temsil eden 40'den fazla fizikçi, mühendis, teknisyen, öğrenci ve yönetici çalıştı.

CERN – Doğan Teknolojiler

Tüm bu kilometrelerce parçacık hızlandırıcısı zamanla insanlığa çok sayıda yararlı teknoloji kazandırdı.

İnternetin İcadı

CERN'den çıkan en etkili teknoloji muhtemelen İnternet'ti; gerçekten.

CERN kendi iç ağı için TCP/IP protokolünü oluşturdu ve World Wide Web kavramı CERN'de Tim Berners-Lee tarafından icat edildi, kim yaptı ilk web sitesi (nasıl göründüğünü görmek için bağlantıyı takip edin).

Başlangıçta araştırmacıların daha kolay veri ve fikir alışverişinde bulunabilmelerinin bir yolu olarak düşünülmüştü.

Kaynak: CERN

1993'te CERN, World Wide Web yazılımını kamu malı fikri mülkiyet olarak dünyaya sundu. Ayrıca, web ile birbirine bağlı birden fazla bilgisayar aracılığıyla bir hesaplama gerçekleştirme süreci olan grid hesaplamasında da öncü olacaktı.

Belki de paradoksal olarak, parçacık hızlandırıcıları araştırma kuruluşu olan CERN'in en büyük katkılarından biri, kuantum fiziği deneyi yapmak yerine, tüm bilgi, veri ve yazılımların özgürce paylaşılmasını sağlamaktı.

Tıbbi Uygulamalar

CERN araştırmalarının bir uygulaması, parçacık hızlandırıcılarının daha derinlemesine anlaşılmasıdır. Daha küçük boyutlu hızlandırıcılar artık hastanelerde kanser tedavilerinde radyoterapi amacıyla rutin olarak kullanılmaktadır. Sürekli araştırmalar, bu hızlandırıcıların zamanla daha verimli, daha küçük ve daha ucuz hale gelmesini sağlamıştır.

Kanser tedavisine bir diğer katkı ise nükleer tıp alanında, yani kanser hücrelerini öldürmek için nadir izotopların kullanılmasıdır.

CERN-MEDICIS altyapısı, 2017 yılından bu yana tıbbi uygulamalara yönelik yenilikçi radyoizotoplar üretiyor ve bunları ileri tedavi ve görüntüleme için uygunluklarını değerlendirebilen tıp doktorlarına ve araştırmacılara sağlıyor.

Bu radyoizotopların bir kısmı CERN'de özel olarak üretiliyor.

Parçacık fiziğinin önemli olduğu bir diğer alan ise tıbbi görüntülemedir; X-ışınlarından MRI'a, PET taramalarından bilgisayarlı tomografiye (BT) kadar.

Hadron radyoterapisinde ve tıbbi görüntülemede çeşitli gelişmelerg, doğrudan ATLAS parçacık dedektörü için geliştirilen sensörlerden geldi.

Covid salgını sırasında CERN, oda büyüklüğü, odada geçirilen süre, maske takma, kişi sayısı ve havalandırma gibi değişen parametrelere sahip kapalı alanlardaki virüs konsantrasyonunu modellemek için açık kaynaklı bir araç (COVID Hava Yoluyla Risk Değerlendirme aracı - CARA) geliştirdi.

Enerji ve Yeşil Teknoloji

CERN, potansiyel olarak daha hafif uçaklar veya hatta elektrikli uçaklar için süperiletken kablolar konusundaki uzmanlığını kullanarak Airbus ile iş birliği yapıyor.

Kurumun son derece düşük sıcaklıklarda malzemeyi test etme konusundaki deneyimi, hidrojenin uçak taşımacılığındaki potansiyelini test etmek için de faydalıdır.

CERN ayrıca dünyanın en büyük nükleer füzyon projesi olan ITER ile sıkı bir şekilde işbirliği yapıyor. eğer başarılı olursa sınırsız temiz enerji kaynağı sunabilirNükleer füzyonun büyük ölçüde ultra güçlü mıknatıslara ve süperiletken malzemelere dayandığı düşünüldüğünde, CERN'in uzmanlık alanıyla örtüşmesi aşikardır.

Veri işleme

Parçacıklar tespit edildiğinde, mikro saniyeler içinde üretilen veri akışı muazzamdır. Daha da sorunlusu, saniyedeki bu 40 terabaytın daha sonraki işlemler için saklanması mümkün değildir.

Bu durum CERN bilim insanlarını, hangi verilerin anında en ilgi çekici veri olduğuna karar verebilecek algoritmalar tasarlama konusunda uzmanlaşmaya yöneltti.

CERN, şu şirketlerle işbirliği yapıyor: CEVA (sensörler) veya ABB Motorları Bu tür algoritmaları kullanarak CERN'in geliştirme aşamasındaki tesis ve ekipmanlarının enerji tüketimini optimize etmek.

Bu aynı zamanda araç güvenlik şirketi tarafından da kullanılıyor Zenseact Düşük gecikmeli otonom sürüş sistemleri geliştirmek.

Aynı ilkeler, özellikle şirket genelinde dronlara ve robotik sistemlere uygulanıyor Terabee.

Uzay

CERN, ekipmanları ve deneyleri tarafından üretilen yoğun ve bazen egzotik radyasyon türleriyle başa çıkma konusunda uzun yıllara dayanan bir deneyime sahiptir.

Bu, uyduların radyasyon koruması ve uzayda insanlı deneyler için pratik uygulamalarda, çoğunlukla Avrupa Uzay Ajansı (ESA) ile iş birliği yapılarak kullanılabilir.

Örneğin CERN, Jüpiter'in zorlu radyasyon ortamını taklit edebilen Dünya'daki tek tesise sahiptir.

Diğer Uygulamalar

CERN'in tüm parçacık dedektörleri ve sistemlerinin nanosaniyeye kadar mükemmel bir senkronizasyon içinde olması gerekliliği, onu bu alanda da uzman haline getirmiştir.

Açık kaynaklı "CERN doğumlu zaman senkronizasyonu" standartları telekom, finans piyasaları ve kuantum ağlarında kullanılabilir. Örneğin, ticaret sağlayıcısı Deutsche Börse bunu kendi ticaret sistemlerinin altyapısında kullanıyor.

Eğitim

CERN aynı zamanda ileri bilimler ve fizik alanında eğitim kaynağı olarak da faaliyet göstermektedir.

Bu, ücretsiz olarak sağlanmasını içerir ekipmanlarının 3 boyutlu yazdırılabilir modeli, açıklayıcı karikatürler ve çizgi romanlar ve öğretmenler için sınıf materyalleri.

Buna paralel olarak, bugün kütüphaneler, üniversiteler ve küresel kurumlar tarafından kullanılan, kendi esnek, yüksek performanslı, açık kaynaklı dijital kütüphane çerçevesini ücretsiz olarak sunmaktadır.

CERN, aynı dijital kütüphane çerçevesine dayanan dünyanın en büyük genel amaçlı araştırma deposunu sürdürmektedir. Kullanımı kolay bu depo, herhangi bir alandaki bilim insanlarının araştırma çıktılarını korumasını ve paylaşmasını sağlar.

CERN'in bilgi paylaşımına olan bağlılığı, yan kuruluşunda da kendini göstermektedir Orvium, açık kaynaklı ve merkezi olmayan bilimsel yayınlar için bir yayın altyapısı.

Son olarak CERN, tesislerin, yerel bir müzenin ve sanat sergilerinin yer aldığı eğitim turları düzenliyor.

CERN'in Gelecekteki Altyapıları ve Başarıları

Yüksek Parlaklıklı LHC (HL–LHC)

CERN araştırmacıları ve teknisyenleri mevcut tesislerden mümkün olduğunca çok şey elde etmek için yoğun bir şekilde çalışırken, aynı zamanda bir sonraki adımlara da bakıyorlar.

İlki olacak “Yüksek Parlaklıklı LHC” veya HL–LHC, LHC'nin parlaklığını 10 kat artırmayı amaçlayan bir yükseltme. Örneğin, Yüksek Parlaklıklı LHC, 15'de LHC'den yaklaşık üç milyona kıyasla yılda en az 2017 milyon Higgs bozonu üretecek.

Kaynak: CERN

Yükseltmede mıknatıslarda, süperiletken bağlantılarda, güçlendirilmiş korumada ve daha iyi hızlandırıcılarda iyileştirmeler yer alacak.

HL–LHC'nin 2030'ların ortalarında faaliyete geçmesi bekleniyor, zira inşaat mühendisliği çalışmaları Nisan 2018'de başladı ve Aralık 2024'te ilk mıknatıslarını aldı.

Geleceğin Dairesel Çarpıştırıcısı (FCC)

LHC'den sonra parçacık hızlandırıcılarının bir sonraki adımının 90 km'lik devasa bir tasarım olması bekleniyor. Geleceğin Dairesel Çarpıştırıcısı (FFC)Ortalama 200 metre (656 feet) derinlikte inşa edilecek.

İlk deneyler 15'lı yılların ortalarında FCC-ee adlı elektron-pozitron çarpıştırıcısı ile başlayarak 2040 yıl sürecek. FCC-ee'nin güç tüketiminin yılda 1 ila 1.8 TWh arasında değişmesi bekleniyor.

Aynı tünele proton-proton çarpıştırıcısı olan FCC-hh adında ikinci bir makine yerleştirilecek ve 2070'lerde çalışmaya başlayarak 25 yıldan fazla çalışacak.

Tüm projenin 15 yıla yayılmış yaklaşık 15 milyar CHF'ye mal olması bekleniyor. Fizibilite çalışmasının nihai tamamlanması 2025'te, CERN komitesinin nihai kararı 2027-2028'de ve inşaatın 2030'larda başlaması bekleniyor.

FCC, teorilerin ötesine geçen parçacıkları araştırabilir parçacık fiziğinin standart modeliBu da ya daha hassas dedektörler ya da daha güçlü bir hızlandırma gerektirecektir.

Fizikteki bu daha derin anlayış, bilgisayarların performansını iyileştirmek ve malzeme bilimleri için yeni olasılıklar açmak için muhtemelen çok önemli olacaktır. Ve bunu yaparak, insanlığın yıldızlarda gezinebilen, gerçek yapay zeka yaratabilen veya sınırsız bol enerjinin tadını çıkarabilen gerçekten gelişmiş bir medeniyet haline gelmesine olanak tanıyacaktır.

CERN İlgili Şirket

CEVA

CEVA, sensörlerin verimliliğini ve güç tüketimini iyileştirmek için kurum algoritmasını kullanan bir sensör şirketi ve CERN ile ortaklık yapmaktadır. CEVA çözümleri ve IP'leri (200 patent) 18 milyar cihaza entegre edilmiştir.

Şirketimizin çözümleri dünya çapında birçok önde gelen elektronik markası tarafından kullanılmaktadır.

Kaynak: CEVA

CEVA ile CERN arasındaki işbirliğinin temel uygulaması, veri merkezlerinden uzakta (bulut) ve tüketicilere daha yakın (uç) cihazlarda konuşlandırılan “Edge AI” veya yapay zeka uygulamalarıdır.

Yapay zeka uygulamalarında parçacık fiziği algoritmalarının yeniden kullanılması şaşırtıcı olmayabilir, çünkü örneğin sinir ağları Higgs bozonu parçacığını bulmakta kullanılmıştır. Parçacık hızlandırıcı verilerinin analizi, çok hızlı üretilen veri hacmi nedeniyle bulutta değil, yerinde yapılmalıdır.

Ceva, CERN'in gelecekteki deneylerde kullanılabilecek yeni sıkıştırma algoritmaları oluşturmasına yardımcı oldu ve bu yeni teknolojiyi ürünlerine entegre edebilecek.

“CERN ile yaptığımız iş birliği sayesinde, ağların 15 bitlik temel modellere kıyasla 16 kata kadar daha hızlı çalışmasını sağlayan yenilikçi bir yaklaşım geliştirebildik.

"Karşılaştırılabilir doğruluğu korurken ağ hızını artırıyor ve enerji tüketimini %90'a kadar azaltıyor."

Olya Sirkin – Ceva'da Kıdemli Derin Öğrenme Araştırmacısı

CEVA'nın teknolojik ilerlemelerinden sadece biri bu. Şirket, kablosuz bağlantı, sensörler (görüntü, ses, hareket) ve sinir ağı algoritmaları alanında faaliyet gösteriyor.

Kaynak: CEVA

CEVA, hem endüstriyel hem de ev çözümleri için gömülü AI çözümleriyle 5G bağlantısı (uydu 5G dahil) ve IoT'nin (Nesnelerin İnterneti) birleşik trendinden büyük ölçüde yararlanmaktadır. Ayrıca WiFi 6 çözümlerinde liderdir ve WiFi 7'de lider bir konuma sahiptir.

Kaynak: Ruj

CEVA, bir yazılım ve fikri mülkiyet şirketi olarak iyi biliniyor ve IoT ve 5G sektörleriyle ilgilenen yatırımcılar tarafından sıklıkla gözden kaçırılıyor.

CERN'in, insanlık tarafından gerçekleştirilen en karmaşık veri analizlerinden bazılarında yardımcı olmak üzere onu seçmesi de gösterdiği gibi, veri işleme ve uç yapay zeka alanında teknolojik ilerlemenin en uç noktasında yer alan ilginç bir şirket olabilir.