CERN: Hiểu về các hạt để xây dựng thế giới hiện đại

CERN Là Gốc Rễ Của Khoa Học Hiện Đại

Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu, hay CERN, là một trong những cơ sở quan trọng nhất trên thế giới trong việc nghiên cứu các hạt hạ nguyên tử và vật lý cơ bản.

Đây là công trình quan trọng vì vật lý lượng tử và thuyết tương đối là những khoa học cơ bản đằng sau nhiều, nếu không muốn nói là hầu hết, những đổi mới công nghệ của thế giới hiện đại, bao gồm máy tính, điện thoại di động, tia laser, viễn thông, vệ tinh, MRI, tấm pin mặt trời, kính hiển vi tiên tiến, năng lượng hạt nhân, v.v.

Bởi vì tất cả những công nghệ này đều đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về hành vi của nguyên tử, electron và các hạt khác ở quy mô nhỏ nhất. Và tất cả những điều đó gần như trực quan, vượt xa mô hình electron đơn giản quay quanh hạt nhân nguyên tử. Ví dụ, ngay cả nguyên tử đơn giản nhất có thể, hydro, cũng cần một phương trình phức tạp để mô tả cách các electron thực sự hoạt động.

Nguồn: Bộ Năng lượng

CERN cũng là một sáng kiến ​​khoa học thực sự mang tính toàn cầu và quốc tế, từ đó nảy sinh ra nhiều khám phá khác, bao gồm cả Internet.

Cuối cùng, việc xây dựng, vận hành và nâng cấp các cơ sở của CERN đã trở thành động lực chính thúc đẩy nghiên cứu và kỹ thuật trong nhiều lĩnh vực khoa học tiên tiến như siêu dẫn, cảm biến, laser và nam châm siêu mạnh.

Khoa học đầy tham vọng ngay từ ngày đầu tiên

CERN được thành lập vào năm 1954 bởi 12 quốc gia châu Âu, với tên viết tắt tiếng Pháp là “Hội đồng nghiên cứu hạt nhân châu Âu” đặt tên cho nó.

Nguồn: Wikipedia

Sẽ không ngoa khi nói rằng phần lớn vật lý hạt hiện đại ra đời ở CERN, đáng chú ý là:

• Việc phát hiện ra các boson yếu mang một trong 4 lực cơ bản đã được trao giải Nobel Vật lý năm 1984.
• Sự tạo ra nguyên tử phản hydro đầu tiên.
• Phát hiện ra trạng thái vật chất mới, plasma quark-gluon.
• Giải Nobel Vật lý năm 1992 được trao cho một nhà nghiên cứu tại CERN vì phát minh và phát triển máy dò hạt.
• Giải Nobel Vật lý năm 2013 được trao cho các nhà nghiên cứu CERN vì mô tả và quan sát boson Higgs (là thành phần tạo nên khối lượng của các hạt).

Nguồn: CERN

Ngày nay, CERN có 25 quốc gia là thành viên chính thức và 10 thành viên liên kết, đây là bước đầu tiên trước khi có thể trở thành thành viên chính thức. Ngoài ra, cần phải kể đến mối quan hệ chặt chẽ với 3 quốc gia có tư cách quan sát viên (Nhật Bản, Nga, Hoa Kỳ) và sự hợp tác hoặc liên hệ khoa học với hầu hết mọi quốc gia trên Trái Đất.

CERN trực tiếp tuyển dụng 3,500 người, nhóm lớn nhất bao gồm các nhà khoa học và kỹ sư, tiếp theo là các kỹ thuật viên, đi theo sự dẫn dắt và hiểu biết sâu sắc của một trăm nhà vật lý nghiên cứu.

Nguồn: CERN

Cơ sở hạ tầng CERN

Không thành tựu nào của CERN có thể đạt được nếu không có công nghệ kỹ thuật đẳng cấp thế giới trong việc chế tạo máy gia tốc hạt và máy dò.

Máy gia tốc hạt hoạt động bằng cách di chuyển các hạt trong chân không mạnh, không có không khí hoặc bụi. Các nam châm điện và trường điện mạnh mẽ tăng tốc các hạt và giữ chúng trong máy gia tốc. Hạt được tăng tốc, đôi khi ở tốc độ 99.9% tốc độ ánh sáng (299 792 458 mét mỗi giây / 186,000 dặm mỗi giây), va chạm với một chùm hạt khác hoặc một mục tiêu cố định.

Tốc độ và năng lượng cực lớn trong những va chạm này cho phép các nhà khoa học hiểu rõ hơn về bản chất cơ bản của các hạt này.

Nguồn: Bộ Năng lượng

Ngày nay, máy gia tốc hạt chính của CERN là LHC (Máy va chạm Hadron lớn), đặt tại Geneva, Thụy Sĩ. LHC là một đường hầm ngầm sâu tới 175 mét (575 feet), tạo thành một vòng tròn có chu vi 27 km (17 dặm).

Trong tương lai, nó có thể bị lu mờ bởi một đường ống tăng tốc thậm chí còn lớn hơn dài 90-100km đi qua Hồ Geneva và xung quanh thành phố (thông tin chi tiết hơn bên dưới).

Nguồn: Thụy Sĩ

Ngày nay, ngoài LHC “chính”, CERN còn vận hành 11 máy gia tốc hạt khác phục vụ nhu cầu nghiên cứu cụ thể về các hạt nặng hơn, proton, plasma, nghiên cứu về hạt nhân không ổn định, v.v. Các máy gia tốc hạt này thường bổ sung cho nhau, trong đó nhiều máy “cung cấp” các hạt cần thiết cho các máy khác trong một hệ thống liên động phức tạp.

Nguồn: CERN

Viện này cũng có không dưới 11 máy gia tốc và máy va chạm hạt đã ngừng hoạt động được xây dựng từ những năm 1950.

Công nghệ CERN

LHC

Vị trí sâu dưới lòng đất của LHC là kết quả của sự kết hợp giữa lý do khoa học và tài chính. Đào một đường hầm rẻ hơn so với việc mua một vòng tròn đường kính 27km trên mặt đất, đặc biệt là ở khu vực Geneva đắt đỏ. Các lớp đá cũng bảo vệ cơ sở khỏi bức xạ vũ trụ và bức xạ bề mặt.

Nguồn: CERN

LHC là máy gia tốc hạt mạnh nhất từng được chế tạo. Trung bình, nó tiêu thụ 600 GWH mỗi năm, tương đương khoảng một nửa tổng mức tiêu thụ năng lượng 1.3 TWh của CERN. Để dễ hình dung, toàn bộ nước Pháp tiêu thụ 500 TWh, EU 3400 TWh, và thế giới là 20,000 TWh.

LHC tạo ra 2 chùm hạt, mỗi chùm di chuyển gần bằng tốc độ ánh sáng, va chạm với nhau. Chúng được dẫn hướng và giới hạn bởi 9593 nam châm điện siêu dẫn được làm lạnh bằng heli lỏng ở nhiệt độ -271.3°C (-456.34°F).

Phần lớn năng lượng tiêu thụ của hoạt động này là do các nam châm điện, để vận hành chúng và năng lượng cần thiết để sản xuất ra lượng lớn heli lỏng này.

Mục tiêu của LHC

Máy gia tốc hạt lớn (LHC) đã thực hiện va chạm đầu tiên vào năm 2008 và dự kiến ​​sẽ hoạt động đến những năm 2040. Sau lần chạy đầu tiên bao gồm việc phát hiện ra boson Higgs, LHC đang tiến hành nâng cấp và bảo trì quy mô lớn để chuẩn bị cho lần chạy thứ hai, giúp tăng mức công suất của LHC lên 13 TeV (tera electronvolt) cho các va chạm.

Sau khi phát hiện ra boson Higgs, LHC được kỳ vọng sẽ giúp trả lời những câu hỏi cơ bản về Vũ trụ, bao gồm vai trò và bản chất của cái gọi là năng lượng tối và vật chất tối.

Mức năng lượng cực đại đạt được cũng sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về giai đoạn đầu của Vũ trụ, trong trạng thái “plasma quark-gluon”.

ATLAS

Một bổ sung quan trọng cho LHS là máy dò hạt ATLAS. Đây là máy dò hạt lớn nhất từng được chế tạo, dài 46 mét (150 feet) và đường kính 25 mét (82 feet).

Các máy dò chứa hơn 100 triệu kênh điện tử nhạy cảm để ghi lại các hạt được tạo ra do va chạm.

Nó chứa nhiều máy dò phụ, mỗi máy có một vai trò riêng biệt, để phát hiện cùng lúc các photon, electron, muon, pion, v.v.

Nguồn: ATLAS

Hơn 5900 nhà vật lý, kỹ sư, kỹ thuật viên, sinh viên và quản trị viên đã làm việc để xây dựng và vận hành ATLAS, đại diện cho 180 tổ chức khoa học từ hơn 40 quốc gia.

CERN – Công nghệ ra đời

Tất cả những máy gia tốc hạt dài hàng kilomet này đã mang lại rất nhiều công nghệ hữu ích cho nhân loại theo thời gian.

Phát minh ra Internet

Có lẽ công nghệ có tác động lớn nhất từng được CERN phát minh ra chính là Internet.

CERN đã tạo ra giao thức TCP/IP cho mạng nội bộ của riêng mình và khái niệm về World Wide Web được phát minh tại CERN bởi Tim Berners-Lee, ai đã làm ra trang web đầu tiên (theo liên kết để xem nó trông như thế nào).

Ban đầu, người ta nghĩ đây là cách để các nhà nghiên cứu trao đổi dữ liệu và ý tưởng dễ dàng hơn.

Nguồn: CERN

Năm 1993, CERN cung cấp phần mềm World Wide Web cho thế giới như một tài sản trí tuệ thuộc phạm vi công cộng. Đây cũng là công ty tiên phong trong điện toán lưới, quá trình thực hiện phép tính thông qua nhiều máy tính được kết nối qua web.

Vì vậy, có lẽ nghịch lý thay, một trong những đóng góp lớn nhất của CERN, một tổ chức nghiên cứu máy gia tốc hạt, là thúc đẩy việc trao đổi tự do mọi kiến ​​thức, dữ liệu và phần mềm, thay vì một thí nghiệm vật lý lượng tử.

Ứng dụng y tế

Một ứng dụng nghiên cứu của CERN là hiểu biết sâu hơn về máy gia tốc hạt. Các máy gia tốc kích thước nhỏ hơn hiện đang được sử dụng thường xuyên trong các bệnh viện để xạ trị điều trị ung thư. Nghiên cứu liên tục đã giúp chúng ngày càng hiệu quả hơn, nhỏ gọn hơn và rẻ hơn theo thời gian.

Một đóng góp bổ sung cho liệu pháp điều trị ung thư là lĩnh vực y học hạt nhân hoặc sử dụng các đồng vị hiếm để tiêu diệt tế bào ung thư.

Kể từ năm 2017, cơ sở hạ tầng CERN-MEDICIS đã sản xuất các đồng vị phóng xạ tiên tiến dành riêng cho các ứng dụng y tế và cung cấp cho các bác sĩ và nhà nghiên cứu để họ có thể đánh giá tính phù hợp của chúng đối với các phương pháp điều trị và hình ảnh tiên tiến.

Một số đồng vị phóng xạ này chỉ được sản xuất tại CERN.

Chụp ảnh y khoa là một lĩnh vực khác mà vật lý hạt đóng vai trò quan trọng, từ chụp X-quang đến chụp MRI, chụp PET và chụp cắt lớp vi tính (CT).

Một số cải tiến trong xạ trị hadron cũng như hình ảnh y tếg, trực tiếp đến từ các cảm biến được phát triển cho máy dò hạt ATLAS.

Trong đại dịch Covid, CERN đã phát triển một công cụ nguồn mở (Công cụ đánh giá rủi ro lây truyền qua không khí COVID – CARA) để mô hình hóa nồng độ vi-rút trong không gian kín với các thông số khác nhau, chẳng hạn như kích thước phòng, thời gian ở trong phòng, việc đeo khẩu trang, số lượng người và thông gió.

Năng lượng & Công nghệ xanh

CERN đã hợp tác với Airbus bằng cách đưa chuyên môn của mình vào lĩnh vực cáp siêu dẫn dành cho máy bay nhẹ hơn hoặc thậm chí là máy bay điện.

Kinh nghiệm của tổ chức trong việc thử nghiệm vật liệu ở nhiệt độ cực thấp cũng hữu ích cho việc thử nghiệm tiềm năng của hydro trong vận chuyển bằng máy bay.

CERN cũng đang hợp tác chặt chẽ với ITER, dự án tổng hợp hạt nhân lớn nhất thế giới, có thể cung cấp nguồn năng lượng sạch vô hạn nếu thành công. Vì phản ứng tổng hợp hạt nhân chủ yếu dựa vào nam châm cực mạnh và vật liệu siêu dẫn nên sự trùng lặp với chuyên môn của CERN là điều hiển nhiên.

Xử lí dữ liệu

Khi các hạt được phát hiện, luồng dữ liệu được tạo ra trong micro giây là rất lớn. Vấn đề hơn nữa là 40 terabyte mỗi giây này không thể được lưu trữ để xử lý sau.

Điều này đã khiến các nhà khoa học CERN trở thành chuyên gia trong việc thiết kế các thuật toán có khả năng quyết định dữ liệu nào là dữ liệu thú vị nhất ngay lập tức.

CERN đang hợp tác với các công ty như CEVA (cảm biến) hoặc Động cơ ABB sử dụng các thuật toán như vậy để tối ưu hóa mức tiêu thụ năng lượng của các cơ sở và thiết bị đang được phát triển của CERN.

Điều này cũng được công ty an toàn xe hơi sử dụng Zensact để phát triển các hệ thống lái xe tự động có độ trễ thấp.

Các nguyên tắc tương tự đang được triển khai cho máy bay không người lái và hệ thống robot nói chung, đặc biệt là với công ty Terabee.

Không gian vũ trụ

CERN có kinh nghiệm lâu năm trong việc xử lý các dạng bức xạ mạnh và đôi khi kỳ lạ do thiết bị và thí nghiệm của mình tạo ra.

Điều này có thể được tận dụng trong các ứng dụng thực tế để che chắn bức xạ cho vệ tinh và các thí nghiệm có người lái trong không gian, thường là hợp tác với Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA).

Ví dụ, CERN là cơ sở duy nhất trên Trái Đất có khả năng mô phỏng môi trường bức xạ khắc nghiệt của Sao Mộc.

Ứng dụng khác

Yêu cầu của CERN về việc tất cả các máy dò hạt và hệ thống phải đồng bộ hóa hoàn hảo đến từng nano giây cũng khiến tổ chức này trở thành chuyên gia trong lĩnh vực này.

Các tiêu chuẩn “đồng bộ hóa thời gian do CERN sinh ra” mã nguồn mở có thể được sử dụng trong viễn thông, thị trường tài chính và mạng lượng tử. Ví dụ, nhà cung cấp giao dịch Deutsche Borse đang sử dụng nó trong cơ sở hạ tầng hệ thống giao dịch của họ.

có chất lượng

CERN cũng đóng vai trò là nguồn tài nguyên giáo dục về khoa học tiên tiến và vật lý.

Điều này bao gồm việc cung cấp miễn phí một mô hình thiết bị có thể in 3D, phim hoạt hình giải thích và truyện tranh, và tài liệu lớp học cho giáo viên.

Đồng thời, nó cung cấp miễn phí khuôn khổ thư viện số mã nguồn mở, linh hoạt và hiệu suất cao, hiện đang được các thư viện, trường đại học và các tổ chức toàn cầu sử dụng.

CERN duy trì kho lưu trữ nghiên cứu mục đích chung lớn nhất thế giới, dựa trên cùng một khuôn khổ thư viện kỹ thuật số. Kho lưu trữ dễ sử dụng này cho phép các nhà khoa học từ mọi lĩnh vực lưu giữ và chia sẻ kết quả nghiên cứu của họ.

Sự cống hiến của CERN trong việc chia sẻ kiến ​​thức cũng thể hiện ở sự ra đời của nó Orvium, một cơ sở hạ tầng xuất bản cho các ấn phẩm khoa học phi tập trung và nguồn mở.

Cuối cùng, CERN cung cấp các chuyến tham quan giáo dục về cơ sở vật chất, bảo tàng địa phương và triển lãm nghệ thuật.

Cơ sở hạ tầng và thành tựu tương lai của CERN

LHC độ sáng cao (HL–LHC)

Trong khi các nhà nghiên cứu và kỹ thuật viên của CERN đang nỗ lực hết sức để tận dụng tối đa các cơ sở hiện tại, họ cũng đang hướng tới những bước tiếp theo.

Đầu tiên sẽ là “LHC độ sáng cao”, hay HL–LHC, một bản nâng cấp nhằm tăng độ sáng của LHC lên 10 lần. Ví dụ, LHC có độ sáng cao sẽ sản xuất ít nhất 15 triệu boson Higgs mỗi năm, so với khoảng ba triệu từ LHC vào năm 2017.

Nguồn: CERN

Bản nâng cấp sẽ bao gồm những cải tiến về nam châm, liên kết siêu dẫn, khả năng bảo vệ được gia cố và bộ gia tốc tốt hơn.

HL–LHC dự kiến ​​sẽ đi vào hoạt động vào giữa những năm 2030, vì công trình kỹ thuật dân dụng đã bắt đầu vào tháng 2018 năm XNUMX và nhận được nam châm đầu tiên vào tháng 2024 năm XNUMX.

Máy Va chạm Tròn Tương lai (FCC)

Sau LHC, một thiết kế khổng lồ 90km dự kiến ​​sẽ là bước tiếp theo của máy gia tốc hạt, được gọi là Máy va chạm tròn tương lai (FFC). Nó sẽ được xây dựng ở độ sâu trung bình là 200 mét (656 feet).

Các thí nghiệm đầu tiên sẽ diễn ra trong 15 năm, bắt đầu vào giữa những năm 2040 với FCC-ee, một máy va chạm electron-positron. Mức tiêu thụ điện năng của FCC-ee dự kiến ​​sẽ dao động trong khoảng từ 1 đến 1.8 TWh/năm.

Cỗ máy thứ hai, FCC-hh, một máy va chạm proton-proton, sẽ được lắp đặt trong cùng đường hầm và bắt đầu hoạt động vào những năm 2070 và hoạt động trong hơn 25 năm.

Toàn bộ dự án dự kiến ​​sẽ tốn khoảng 15 tỷ CHF, trải dài trong 15 năm. Hoàn thành nghiên cứu khả thi cuối cùng dự kiến ​​vào năm 2025, với quyết định cuối cùng của ủy ban CERN vào năm 2027-2028 và bắt đầu xây dựng vào những năm 2030.

FCC có thể điều tra các hạt được dự đoán bởi các lý thuyết vượt ra ngoài mô hình chuẩn của vật lý hạt, điều này đòi hỏi các máy dò nhạy hơn hoặc khả năng tăng tốc mạnh hơn.

Sự hiểu biết sâu sắc hơn về vật lý này có thể sẽ rất quan trọng để cải thiện hiệu suất của máy tính và mở ra những khả năng mới cho khoa học vật liệu. Và bằng cách đó, cho phép nhân loại trở thành một nền văn minh thực sự tiên tiến có thể điều hướng các vì sao, tạo ra trí tuệ nhân tạo thực sự hoặc tận hưởng nguồn năng lượng dồi dào vô hạn.

Công ty liên quan đến CERN

CEVA

CEVA là một công ty cảm biến và là đối tác của CERN để sử dụng thuật toán của tổ chức này nhằm cải thiện hiệu suất và mức tiêu thụ điện năng của cảm biến. Các giải pháp và IP của CEVA (200 bằng sáng chế) được tích hợp vào 18 tỷ thiết bị.

Các giải pháp của công ty được nhiều thương hiệu điện tử hàng đầu trên toàn thế giới sử dụng.

Nguồn: CEVA

Ứng dụng chính của sự hợp tác giữa CEVA và CERN là “Edge AI” hoặc các ứng dụng trí tuệ nhân tạo được triển khai trên các thiết bị xa trung tâm dữ liệu (đám mây) và gần với người tiêu dùng hơn (biên).

Có thể không ngạc nhiên khi thấy các thuật toán vật lý hạt được tái sử dụng trong các ứng dụng AI, chẳng hạn như mạng nơ-ron được sử dụng để tìm hạt boson Higgs. Phân tích dữ liệu máy gia tốc hạt cần được thực hiện tại chỗ thay vì trên đám mây, do khối lượng dữ liệu được tạo ra rất nhanh.

Ceva đã giúp CERN tạo ra các thuật toán nén mới có thể được sử dụng trong các thí nghiệm trong tương lai và có thể tích hợp công nghệ mới này vào các sản phẩm của mình.

“Nhờ sự hợp tác với CERN, chúng tôi đã có thể phát triển một phương pháp tiếp cận sáng tạo cho phép các mạng chạy nhanh hơn tới 15 lần so với các mô hình cơ sở 16 bit.

Nó giúp tăng tốc độ mạng và giảm mức tiêu thụ năng lượng lên đến 90% trong khi vẫn duy trì độ chính xác tương đương.”

Olya Sirkin – Nhà nghiên cứu học sâu cấp cao tại Ceva

Đây chỉ là một trong những tiến bộ công nghệ của CEVA, khi công ty này tích cực tham gia vào kết nối không dây, cảm biến (hình ảnh, âm thanh, chuyển động) và thuật toán mạng nơ-ron.

Nguồn: CEVA

CEVA hưởng lợi rất nhiều từ xu hướng kết hợp kết nối 5G (bao gồm vệ tinh 5G) và IoT (Internet vạn vật) với các giải pháp AI nhúng, cho cả giải pháp công nghiệp và gia đình. Công ty cũng là công ty dẫn đầu về giải pháp WiFi 6 và có vị trí dẫn đầu về WiFi 7.

Nguồn: Ruije

Là một công ty phần mềm và IP, CEVA rất nổi tiếng và thường bị các nhà đầu tư quan tâm đến lĩnh vực IoT và 5G bỏ qua.

Đây có thể là một công ty thú vị đang ở đỉnh cao của tiến bộ công nghệ trong xử lý dữ liệu và AI tiên tiến, như được minh họa bằng việc CERN lựa chọn công ty này để hỗ trợ một số phân tích dữ liệu phức tạp nhất mà loài người từng thực hiện.