CERN: Modern Dünyayı İnşa Etmek İçin Parçacıkları Anlamak

CERN Modern Bilimin Kökü Olarak

The European Organization for Nuclear Research, or CERN, has been one of the most important facilities in the world for the study of subatomic particles and fundamental physics.

Bu önemli bir çalışmadır, çünkü kuantum fiziği ve görelilik, modern dünyanın birçok, hatta çoğu teknolojik yeniliğinin temel bilimleri olmuştur; bunlar arasında bilgisayarlar, cep telefonları, lazerler, telekomünikasyon, uydular, MR, güneş panelleri, gelişmiş mikroskoplar, nükleer enerji vb.

Bunun nedeni, bu teknolojilerin tümünün atomların, elektronların ve diğer parçacıkların en küçük ölçekteki davranışlarını derinlemesine anlamayı gerektirmesidir. Bu davranışlar sezgisel değildir ve elektronların atom çekirdeği etrafında döndüğü basitleştirilmiş modelin çok ötesindedir. Örneğin, en basit atom olan hidrojen bile, elektronlarının gerçek davranışını tanımlamak için karmaşık bir denkleme ihtiyaç duyar.

Kaynak: Department of Energy

The CERN has also been a truly global and international scientific initiative from which many other discoveries, including the Internet itself, have sprung.

Son olarak, CERN tesislerinin inşa edilmesi, işletilmesi ve yükseltilmesi, süperiletkenler, sensörler ve ultra güçlü lazerler ve manyetikler gibi birçok ileri bilim alanında araştırma ve mühendisliği büyük ölçüde teşvik eden bir itici güç olmuştur.

İlk Günden Tutkulu Bilim

CERN was founded in 1954 by 12 European countries, with the French language acronym “Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire” giving it its name.

Kaynak: Wikipedia

It would not be an exaggeration to say that a large part of modern particle physics was born in CERN, notably:

• Zayıf kuvvet taşıyan bozonların keşfi, 4 temel kuvvetten biri, 1984 Fizik Nobel Ödülü ile ödüllendirildi.
• İlk antihidrojen atomlarının yaratılması.
• Yeni bir madde hali olan kuark-gluon plazmasının keşfi.
• 1992 Fizik Nobel Ödülü, CERN araştırmacısına parçacık dedektörlerinin icadı ve geliştirilmesi nedeniyle verildi.
• 2013 Fizik Nobel Ödülü, CERN araştırmacılarına Higgs bozonlarının tanımlanması ve gözlemlenmesi (parçacıklara kütle veren) nedeniyle verildi.

Kaynak: CERN

Bugün, CERN 25 ülkeyi tam üye olarak ve 10 ülkeyi ise potansiyel tam üyelik öncesi bir adım olan yardımcı üye olarak içermektedir. Buna ayrıca gözlemci statüsü (Japonya, Rusya, ABD) bulunan 3 ülke ve neredeyse tüm dünya ülkeleriyle olan yakın iş birliği de eklenmelidir.

CERN doğrudan 3.500 kişiyi istihdam etmektedir; en büyük grup bilim insanları ve mühendislerden oluşur, ardından teknisyenler ve yaklaşık yüz araştırma fizikçisinin bir adım altında kalan diğer personel gelir.

Kaynak: CERN

CERN Altyapıları

None of the CERN’s achievements would have been possible without the world-class engineering that went into building its particle accelerator and detectors.

Parçacık hızlandırıcıları, parçacıkları hava ve tozdan arındırılmış güçlü bir vakum içinde hareket ettirerek çalışır. Güçlü elektromıknatıslar ve elektrik alanları parçacıkları hızlandırır ve hızlandırıcı içinde tutar. Hızlandırılan parçacık, bazen ışık hızının %99,9’u (299 792 458 metre/saniye / 186 000 mil/saniye) hızına ulaşarak başka bir parçacık demetine ya da sabit bir hedefe çarpar.

Bu çarpışmalardaki aşırı hız ve enerji, bilim insanlarının bu parçacıkların temel doğasını daha iyi anlamasını sağlar.

Kaynak: Department of Energy

Bugün, CERN’in ana parçacık hızlandırıcısı, İsviçre, Cenevre’de bulunan LHC (Large Hadron Collider)dır. LHC, 175 metre (575 feet) derinliğe kadar inen bir yeraltı tünelidir ve çevresi 27 kilometre (17 mil) olan bir daire oluşturur.

Gelecekte, Cenevre Gölü’nün altından ve şehrin etrafından geçen 90‑100 km uzunluğunda daha büyük bir hızlandırıcı, bu yapıyı gölgede bırakabilir (aşağıda daha fazla bilgi).

Kaynak: Swisstopo

Bugün, “ana” LHC’nin yanı sıra CERN, daha ağır parçacıklar, protonlar, plazma, kararsız çekirdeklerin incelenmesi gibi özel araştırma ihtiyaçları için 11 başka parçacık hızlandırıcı işletmektedir. Bu hızlandırıcılar genellikle birbirini tamamlar; birçok “besleme” sistemi, gerekli parçacıkları diğerlerine karmaşık bir zincir içinde aktarır.

Kaynak: CERN

Kurum ayrıca 1950’lerden bu yana inşa edilmiş 11 adet hizmet dışı bırakılmış parçacık hızlandırıcı ve çarpıştırıcıya da sahiptir.

CERN Teknolojisi

LHC

The LHC’s deep underground location resulted from a mix of scientific and financial reasons. It is cheaper to dig a tunnel than acquire a circle of 27km diameter of surface land, especially in the expensive Geneva region. The layers of rocks also shield the facility from cosmic and surface radiation.

Kaynak: CERN

LHC, şimdiye kadar inşa edilmiş en güçlü parçacık hızlandırıcıdır. Ortalama olarak yılda 600 GWh tüketir; bu, CERN’in toplam 1,3 TWh enerji tüketiminin yaklaşık yarısıdır. Perspektif vermek gerekirse, tüm Fransa 500 TWh, AB 3 400 TWh ve dünya 20 000 TWh tüketmektedir.

LHC, ışık hızına çok yakın iki parçacık demeti üretir ve bunları çarpıştırır. Demetler, 9593 süperiletken elektromıknatıs tarafından yönlendirilir ve -271,3 °C (-456,34 °F) lik sıvı helyumla soğutulur.

Most of the energy consumption of the operation is due to the electromagnets, both to operate them and the energy expanse to produce this massive amount of liquid helium.

LHC Hedefleri

The LHC performed its first collision in 2008 and is expected to run up to the 2040s. After a first run including the discovery of the Higgs boson, it is ongoing a massive upgrade and maintenance work to prepare for the second run, which will boost the LHC’s power levels to 13 TeV (tera electronvolts) collisions.

Higgs bozonu keşfinden sonra, LHC evrenin temel sorularına yanıt bulmaya yardımcı olması bekleniyor; özellikle karanlık enerji ve karanlık madde olarak adlandırılan şeylerin rolü ve doğası.

The extreme energy levels reached should also give us insights into the early stage of the Universe, in a state of “quark-gluon plasma”.

ATLAS

A key complement to the LHS is the ATLAS particle detector. It is the largest particle detector ever built, at 46 meters (150 feet) long and 25 meters (82 feet) in diameter.

Detektörler, çarpışmalar sonucu üretilen parçacıkları kaydetmek için 100 milyondan fazla hassas elektronik kanal içerir.

Her biri farklı bir rol oynayan birçok alt-detektör, aynı anda foton, elektron, müon, pion vb. tespit eder.

Kaynak: ATLAS

5900+ physicists, engineers, technicians, students, and administrators have worked in building and operating ATLAS, representing 180 scientific institutions from 40+ countries.

CERN – Doğan Teknolojiler

All of these kilometers of particle accelerators have yielded a lot of useful technology to mankind over time.

İnterneti İcat Etmek

Maybe the most impactful technology to ever come out of CERN was the Internet; really.

CERN, kendi iç ağı için TCP/IP protokolünü oluşturdu ve Dünya Çapında Ağ (World Wide Web) kavramı CERN’de Tim Berners‑Lee tarafından icat edildi, bu da ilk web sitesini görmek için bağlantıyı takip edin yaptı.

İlk başta, araştırmacıların veri ve fikir alışverişini kolaylaştırmak amacıyla düşünülmüştür.

Kaynak: CERN

1993 yılında CERN, Dünya Çapında Ağ yazılımını kamu malı bir fikri mülkiyet olarak dünyaya sundu. Ayrıca, web üzerinden bağlanan birden çok bilgisayarın bir arada hesaplama yapması süreci olan grid computing’in öncüsü oldu.

So maybe paradoxically, one of the greatest contributions of CERN, a particle accelerator research organization, was to boost the free exchange of all knowledge, data, and software, instead of a quantum physics experiment.

Tıbbi Uygulamalar

One application of CERN’s research is a deeper understanding of particle accelerators. Smaller-size accelerators are now routinely used in hospitals for radiotherapy in cancer treatments. Continuous research has made them increasingly efficient, smaller, and cheaper over time.

An additional contribution to cancer therapy is in the field of nuclear medicine, or using rare isotopes to kill cancer cells.

2017’den bu yana, CERN‑MEDICIS altyapısı tıbbi uygulamalar için özel olarak yenilikçi radyoizotoplar üretmekte ve bu radyoizotopları ileri tedaviler ve görüntüleme için uygunluklarını değerlendirebilen doktor ve araştırmacılara sağlamaktadır.

Medical imaging is another field where particle physics is crucial, from X-rays to MRI, PET scans, and computed tomography (CT).

ATLAS parçacık dedektörü için geliştirilen sensörlerden doğrudan gelen birkaç iyileştirme, hadron radyoterapisinde ve tıbbi görüntülemede gerçekleşmiştir.

During the Covid pandemic, CERN developed an open-source tool (COVID Airborne Risk Assessment tool – CARA) to model virus concentration in enclosed spaces with varying parameters, such as room size, time spent in the room, mask-wearing, number of people, and ventilation.

Enerji ve Yeşil Teknoloji

CERN has been collaborating with Airbus by bringing its expertise to superconducting cables for potentially lighter airplanes, or even electric airplanes.

The institution’s experience with testing material at extremely low temperatures is also useful for testing the potential of hydrogen in airplane transportation.

CERN is also collaborating tightly with ITER, the world’s largest nuclear fusion project, which could offer an unlimited supply of clean energy if it succeeds. Considering nuclear fusion mostly relies on ultra-powerful magnets and superconductor materials, the overlap with CERN’s expertise is obvious.

Veri İşleme

When particles are detected, the flux of data generated in microseconds is enormous. More problematic, these 40 terabytes per second cannot possibly be stored for later processing.

This has led the CERN scientists to become experts at designing algorithms able to decide which of the data are of the most interest data on the fly.

CERN is collaborating with companies like CEVA (sensors) or ABB Motors to use such algorithms to optimize the energy consumption of CERN’s facilities and equipment in development.

This is also used by the car safety company Zenseact to develop low-latency autonomous driving systems.

The same principles are being deployed to drones and robotics systems in general, notably with the company Terabee.

Uzay Teknolojileri

CERN has a long-standing experience in dealing with intense and sometimes exotic forms of radiation produced by its equipment and experiments.

This can be leveraged in practical applications for radiation shielding of satellites and manned experiments in space, often in collaboration with the European Space Agency (ESA).

For example, CERN has the only installation on Earth capable of replicating Jupiter’s harsh radiative environment.

Diğer Uygulamalar

CERN’s requirements to have all of its particle detectors and systems in perfect synchronization down to the nanosecond has made it an expert in this field as well.

The open-source “CERN-born time-synchronisation” standards can be used in telecom, financial markets, and quantum networks. For example, trading provider Deutsche Börse is using it in their trading system infrastructure.

Eğitim

CERN is also acting as an educational resource for advanced sciences and physics.

This includes providing for free a 3D-printable model of its equipment, explanatory cartoons and comic books, and classroom materials for teachers.

In parallel, it provides for free its own flexible, high-performance, open-source digital library framework, today used by libraries, universities, and global institutions.

CERN, aynı dijital kütüphane çerçevesine dayanan dünyanın en büyük genel amaçlı araştırma deposunu sürdürmektedir. Bu kullanımı kolay depo, herhangi bir alanda çalışan bilim insanlarının araştırma çıktılarının korunmasını ve paylaşılmasını sağlar.

The dedication of CERN to sharing knowledge also manifests in its spin-off Orvium, a publishing infrastructure for open-source and decentralized scientific publications.

Finally, CERN provides educational tours of the facilities, a local museum, and art exhibitions.

CERN Gelecek Altyapıları ve Başarıları

High Luminosity LHC (HL–LHC)

While the CERN researchers and technicians are working hard to get as much as possible from the current installations, they are at the same time looking to the next steps.

The first one will be the “High Luminosity LHC”, or HL–LHC, an upgrade intending to boost the luminosity of the LHC by 10x. For example, the High-Luminosity LHC will produce at least 15 million Higgs bosons per year, compared to around three million from the LHC in 2017.

Kaynak: CERN

The upgrade will include improvements in magnets, superconductor links, reinforced protection, and better accelerators.

HL–LHC should be operational in the mid-2030s, as the civil engineering work started in Nisan 2018, and received its first magnets in Aralık 2024.

Gelecek Dairesel Çarpıştırıcı (FCC)

After the LHC, a gigantic 90km design is expected to be the next step of particle accelerators, called the Future Circular Collider (FCC). It will be built at an average depth of 200 meters (656 feet).

The first experiments will go on for 15 years, starting in the mid-2040s with the FCC-ee, an electron-positron collider. FCC-ee’s power consumption is expected to vary between 1 and 1.8 TWh/year.

A second machine, the FCC-hh, a proton-proton collider, would be installed in the same tunnel and start in the 2070s and run for more than 25 years.

The whole project is expected to cost around CHF15B, spread over 15 years. Final completion of the feasibility study is expected for 2025, with a final decision by the CERN committee by 2027-2028 and construction starting in the 2030s.

The FCC could investigate particles predicted by theories going beyond the standard model of particle physics, which would require either more sensitive detectors or more powerful acceleration.

This deeper understanding of physics will likely be crucial to improving the performance of computers and opening new possibilities for material sciences. And by doing so, allowing mankind to become a truly advanced civilization able to navigate the stars, create true artificial intelligence, or enjoy unlimited abundant energy.

CERN İlgili Şirket

CEVA

CEVA is a sensor company and a partner with CERN to use the institution algorithm to improve its sensors’ efficiency and power consumption. CEVA solutions and IP (200 patents) are integrated into 18 billion devices.

The company solutions are used by many of the leading electronic brands all over the world.

Kaynak: CEVA

The main application of the collaboration between CEVA & the CERN is “Edge AI”, or artificial intelligence applications deployed on devices away from the data centers (the cloud) and closer to the consumers (the edge).

It may not be surprising to see particle physics algorithms being reused in AI applications, as neural networks were, for example, used in finding the Higgs boson particle. Analyzing particle accelerator data needs to be done on-site instead of in the cloud, due to the sheer volume of data produced very quickly.

Ceva helped CERN create new compression algorithms that can be used in future experiments and will be able to integrate this new technology into its products.

“Thanks to our collaboration with CERN we were able to develop an innovative approach that enables the networks to run up to 15x faster compared to 16-bit baseline models.

It’s enhancing network speed and reducing energy consumption by up to 90% while maintaining comparable accuracy.”

Olya Sirkin – Senior Deep Learning Researcher at Ceva

This is but one of CEVA’s technological progress, with the company active in wireless connectivity, sensors (vision, audio, motion), and neural network algorithms.

Kaynak: CEVA

CEVA greatly benefits from the combined trend of 5G connectivity (including satellite 5G) and IoT (Internet of Things) with embedded AI solutions, both for industrial and home solutions. It is also a leader in WiFi 6 solutions and has a leading position in WiFi 7.

Kaynak: Ruije

As a software and IP company, CEVA is well-known and is often missed by investors interested in the IoT and 5G sectors.

It can be an interesting company at the very edge of technological progress in data processing and edge AI, as illustrated by CERN’s selection of it to help with some of the most complex data analyses ever performed by mankind.