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CERN : comprendre les particules pour construire le monde moderne
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Le CERN, source de la science moderne
L'Organisation européenne pour la recherche nucléaire, ou CERN, est l'une des installations les plus importantes au monde pour l'étude des particules subatomiques et de la physique fondamentale.
Il s’agit d’un travail important, car la physique quantique et la relativité ont été les sciences fondamentales à l’origine de nombreuses, sinon de la plupart, des innovations technologiques du monde moderne, notamment ordinateurs, téléphones portables, lasers, télécommunications, satellites, IRM, panneaux solaires, microscopes avancés, énergie nucléaire, etc.
En effet, toutes ces technologies requièrent une compréhension approfondie du comportement des atomes, des électrons et des autres particules à l'échelle la plus infime. Or, ces connaissances sont loin d'être intuitives et vont bien au-delà du modèle simplifié des électrons en orbite autour du noyau atomique. Par exemple, même l'atome le plus simple, l'hydrogène, nécessite une équation complexe pour décrire le comportement réel de ses électrons.
Source: Ministère de l'Énergie
Le CERN est également une initiative scientifique véritablement mondiale et internationale, à l’origine de nombreuses autres découvertes, y compris Internet lui-même.
Enfin, la construction, l’exploitation et la modernisation des installations du CERN ont été un moteur majeur de la dynamisation de la recherche et de l’ingénierie dans de nombreux domaines scientifiques avancés comme les supraconducteurs, les capteurs et les lasers et aimants ultra-puissants.
Une science ambitieuse dès le premier jour
Le CERN a été fondé en 1954 par 12 pays européens, avec l'acronyme français «Conseil européen pour la recherche nucléaire" lui donnant son nom.
Source: Wikipédia
Il ne serait pas exagéré de dire qu’une grande partie de la physique moderne des particules est née au CERN, notamment :
- La découverte des bosons faibles porteurs d'une des 4 forces fondamentales a été récompensée par le prix Nobel de physique en 1984.
- La première création d'atomes d'antihydrogène.
- La découverte d'un nouvel état de la matière, le plasma quark-gluon.
- Prix Nobel de physique de 1992 à un chercheur du CERN pour son invention et son développement de détecteurs de particules.
- Prix Nobel de physique 2013 décerné aux chercheurs du CERN pour la description et l'observation des bosons de Higgs (responsables de donner leur masse aux particules).
Source: CERN
Aujourd'hui, le CERN compte 25 pays en tant que membres à part entière et 10 membres associés, ce qui constitue la première étape avant une éventuelle adhésion à part entière. A cela s'ajoutent les relations étroites avec 3 pays ayant un statut d'observateur (Japon, Russie, USA) et des collaborations ou des contacts scientifiques avec presque tous les pays de la planète.
Le CERN emploie directement 3,500 XNUMX personnes, le groupe le plus important étant constitué de scientifiques et d'ingénieurs, suivis des techniciens, suivis par un peu moins d'une centaine de physiciens chercheurs.
Source: CERN
Infrastructures du CERN
Aucune des réalisations du CERN n’aurait été possible sans l’ingénierie de classe mondiale qui a été utilisée pour construire son accélérateur de particules et ses détecteurs.
Les accélérateurs de particules fonctionnent en déplaçant des particules dans un vide poussé, exempt de tout air ou poussière. De puissants électroaimants et champs électriques accélèrent les particules et les maintiennent confinées dans l'accélérateur. La particule accélérée, parfois à 99.9 % de la vitesse de la lumière (299 792 458 mètres par seconde), frappe soit un autre faisceau de particules, soit une cible fixe.
La vitesse et l’énergie extrêmes de ces collisions permettent aux scientifiques de mieux comprendre la nature fondamentale de ces particules.
Source: Ministère de l'Énergie
Aujourd'hui, le principal accélérateur de particules du CERN est le LHC (Large Hadron Collider), situé à Genève, en Suisse. Le LHC est un tunnel souterrain d'une profondeur de 175 mètres, formant un cercle de 575 kilomètres de circonférence.
À l’avenir, il pourrait être éclipsé par un accélérateur encore plus grand de 90 à 100 km passant sous le lac Léman et tout autour de la ville (plus d’informations ci-dessous).
Source: Suissetopo
Aujourd’hui, en plus du LHC « principal », le CERN exploite 11 autres accélérateurs de particules pour des besoins de recherche spécifiques sur les particules plus lourdes, les protons, le plasma, l’étude des noyaux instables, etc. Ces accélérateurs de particules se complètent souvent les uns les autres, nombre d’entre eux « alimentant » les autres en particules requises dans un système complexe et imbriqué.
Source: CERN
L'institution compte également pas moins de 11 accélérateurs et collisionneurs de particules déclassés construits depuis les années 1950.
Technologie du CERN
LHC
L'emplacement profond du LHC résulte d'une combinaison de raisons scientifiques et financières. Il est plus économique de creuser un tunnel que d'acquérir un terrain de 27 km de diamètre, surtout dans la région coûteuse de Genève. Les couches rocheuses protègent également l'installation des rayonnements cosmiques et de surface.
Source: CERN
Le LHC est le plus puissant accélérateur de particules jamais construit. Il consomme en moyenne 600 GWh par an, soit environ la moitié de la consommation énergétique totale du CERN, qui s'élève à 1.3 TWh. À titre de comparaison, la France entière consomme 500 TWh, l'UE 3400 20,000 TWh et le monde XNUMX XNUMX TWh.
Le LHC fait entrer en collision deux faisceaux de particules, chacun se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière. Ils sont guidés et confinés par 9593 électroaimants supraconducteurs refroidi par de l'hélium liquide à -271.3°C (-456.34°F).
La majeure partie de la consommation énergétique de l'opération est due aux électroaimants, à la fois pour les faire fonctionner et pour la dépense énergétique nécessaire à la production de cette quantité massive d'hélium liquide.
Objectifs du LHC
Le LHC a réalisé sa première collision en 2008 et devrait fonctionner jusqu'aux années 2040. Après une première exploitation incluant la découverte du boson de Higgs, il poursuit un travail massif de mise à niveau et de maintenance pour préparer la deuxième exploitation, qui augmentera les niveaux de puissance du LHC à 13 TeV (téra électronvolts) de collisions.
Après la découverte du boson de Higgs, le LHC devrait contribuer à répondre à des questions fondamentales sur l’Univers, notamment le rôle et la nature de ce que l’on appelle l’énergie noire et la matière noire.
Les niveaux d’énergie extrêmes atteints devraient également nous donner un aperçu du stade primitif de l’Univers, dans un état de « plasma quark-gluon ».
ATLAS
Le détecteur de particules ATLAS est un complément essentiel du LHS. Il s'agit du plus grand détecteur de particules jamais construit, mesurant 46 mètres de long et 150 mètres de diamètre.
Les détecteurs contiennent plus de 100 millions de canaux électroniques sensibles pour enregistrer les particules produites par les collisions.
Il contient de nombreux sous-détecteurs, chacun jouant un rôle distinct, pour détecter à la fois des photons, des électrons, des muons, des pions, etc.
Source: ATLAS
Plus de 5900 180 physiciens, ingénieurs, techniciens, étudiants et administrateurs ont travaillé à la construction et à l'exploitation d'ATLAS, représentant 40 institutions scientifiques de plus de XNUMX pays.
CERN – Les technologies naissent
Tous ces kilomètres d'accélérateurs de particules ont apporté beaucoup de technologies utiles à l'humanité au fil du temps.
Inventer Internet
La technologie la plus marquante jamais créée par le CERN est peut-être Internet ; vraiment.
Le CERN a créé le protocole TCP/IP pour son propre réseau interne et le concept du World Wide Web a été inventé au CERN par Tim Berners-Lee, qui a fait le tout premier site web (suivez le lien pour voir à quoi cela ressemblait).
Il s’agissait initialement d’un moyen permettant aux chercheurs d’échanger plus facilement des données et des idées.
Source: CERN
En 1993, le CERN a offert au monde entier le logiciel World Wide Web en tant que propriété intellectuelle du domaine public. Il a également été un pionnier dans le domaine du calcul en grille, le processus d'exécution d'un calcul par l'intermédiaire de plusieurs ordinateurs connectés par le Web.
Ainsi, paradoxalement, l’une des plus grandes contributions du CERN, une organisation de recherche sur les accélérateurs de particules, a été de favoriser le libre échange de toutes les connaissances, données et logiciels, plutôt que de se contenter d’une expérience de physique quantique.
Applications médicales
L'une des applications des recherches du CERN est une meilleure compréhension des accélérateurs de particules. Des accélérateurs de plus petite taille sont désormais couramment utilisés dans les hôpitaux pour la radiothérapie contre le cancer. Grâce à des recherches continues, ils sont devenus de plus en plus efficaces, plus petits et moins chers au fil du temps.
Une contribution supplémentaire au traitement du cancer se fait dans le domaine de la médecine nucléaire, qui utilise des isotopes rares pour tuer les cellules cancéreuses.
Certains de ces radioisotopes sont produits de manière unique au CERN.
L’imagerie médicale est un autre domaine où la physique des particules est cruciale, des rayons X à l’IRM, en passant par les tomodensitométries par émission de positons (TEP) et la tomodensitométrie (TDM).
Plusieurs améliorations en radiothérapie hadronique, ainsi qu'en imagerie médicaleg, provient directement des capteurs développés pour le détecteur de particules ATLAS.
Pendant la pandémie de Covid, le CERN a développé un outil open source (COVID Airborne Risk Assessment tool – CARA) pour modéliser la concentration de virus dans des espaces clos avec des paramètres variables, tels que la taille de la pièce, le temps passé dans la pièce, le port du masque, le nombre de personnes et la ventilation.
Énergie et technologie verte
Le CERN collabore avec Airbus en apportant son expertise en matière de câbles supraconducteurs pour des avions potentiellement plus légers, voire électriques.
L’expérience de l’institution en matière de tests de matériaux à des températures extrêmement basses est également utile pour tester le potentiel de l’hydrogène dans le transport aérien.
Le CERN collabore également étroitement avec ITER, le plus grand projet de fusion nucléaire au monde, qui pourrait offrir une source illimitée d’énergie propre si elle réussit. Étant donné que la fusion nucléaire repose principalement sur des aimants ultra-puissants et des matériaux supraconducteurs, le chevauchement avec l’expertise du CERN est évident.
Traitement de l'information
Lorsque des particules sont détectées, le flux de données généré en quelques microsecondes est énorme. Plus problématique encore, ces 40 téraoctets par seconde ne peuvent pas être stockés pour un traitement ultérieur.
Cela a conduit les scientifiques du CERN à devenir experts dans la conception d'algorithmes capables de décider instantanément quelles données sont les plus intéressantes.
Le CERN collabore avec des entreprises comme CEVA (capteurs) ou Moteurs ABB d’utiliser de tels algorithmes pour optimiser la consommation énergétique des installations et équipements du CERN en cours de développement.
Ceci est également utilisé par la société de sécurité automobile Zenseact développer des systèmes de conduite autonome à faible latence.
Les mêmes principes sont déployés sur les drones et les systèmes robotiques en général, notamment avec la société Terabee.
Industrie aerospatiale
Le CERN possède une longue expérience dans le traitement des formes de rayonnement intenses et parfois exotiques produites par ses équipements et ses expériences.
Cela peut être exploité dans des applications pratiques pour le blindage contre les radiations des satellites et des expériences habitées dans l’espace, souvent en collaboration avec l’Agence spatiale européenne (ESA).
Par exemple, le CERN possède la seule installation sur Terre capable de reproduire l’environnement radiatif hostile de Jupiter.
Autres Applications
L'exigence du CERN de disposer de tous ses détecteurs et systèmes de particules en parfaite synchronisation à la nanoseconde près en a fait un expert dans ce domaine également.
Les normes open source de « synchronisation temporelle nées au CERN » peuvent être utilisées dans les télécommunications, les marchés financiers et les réseaux quantiques. Par exemple, les fournisseurs de services de trading Deutsche Börse l'utilise dans son infrastructure de système commercial.
Éducation
Le CERN fait également office de ressource pédagogique pour les sciences avancées et la physique.
Cela comprend la fourniture gratuite un modèle imprimable en 3D de ses équipements, des dessins et bandes dessinées explicatifs et du matériel pédagogique pour les enseignants.
Parallèlement, il fournit gratuitement son propre cadre de bibliothèque numérique flexible, performant et open source, aujourd'hui utilisé par les bibliothèques, les universités et les institutions mondiales.
L’engagement du CERN en faveur du partage des connaissances se manifeste également dans ses activités dérivées Orvium, une infrastructure de publication pour les publications scientifiques open source et décentralisées.
Enfin, le CERN propose des visites pédagogiques des installations, un musée local et des expositions d’art.
Infrastructures et réalisations futures du CERN
LHC à haute luminosité (HL–LHC)
Alors que les chercheurs et techniciens du CERN travaillent d'arrache-pied pour tirer le meilleur parti possible des installations actuelles, ils se tournent en même temps vers les prochaines étapes.
Le premier sera le « LHC à haute luminosité » ou HL–LHC, une amélioration qui vise à multiplier par 10 la luminosité du LHC. Par exemple, le LHC à haute luminosité produira au moins 15 millions de bosons de Higgs par an, contre environ 2017 millions pour le LHC en XNUMX.
Source: CERN
La mise à niveau comprendra des améliorations au niveau des aimants, des liaisons supraconductrices, une protection renforcée et de meilleurs accélérateurs.
Le HL-LHC devrait être opérationnel au milieu des années 2030, les travaux de génie civil ayant débuté en avril 2018, et a reçu ses premiers aimants en décembre 2024.
Futur collisionneur circulaire (FCC)
Après le LHC, un gigantesque modèle de 90 km devrait constituer la prochaine étape des accélérateurs de particules, appelés le futur collisionneur circulaire (FFC)Il sera construit à une profondeur moyenne de 200 mètres (656 pieds).
Les premières expériences se dérouleront sur 15 ans, à partir du milieu des années 2040 avec le collisionneur électron-positon FCC-ee. La consommation électrique du FCC-ee devrait varier entre 1 et 1.8 TWh/an.
Une deuxième machine, le FCC-hh, un collisionneur proton-proton, serait installée dans le même tunnel et démarrerait dans les années 2070 et fonctionnerait pendant plus de 25 ans.
Le projet devrait coûter environ 15 milliards de francs suisses sur 15 ans. L'étude de faisabilité devrait être finalisée en 2025, la décision finale du comité du CERN étant attendue d'ici 2027-2028 et les travaux de construction débutant dans les années 2030.
La FCC pourrait étudier les particules prédites par des théories allant au-delà le modèle standard de la physique des particules, ce qui nécessiterait soit des détecteurs plus sensibles, soit une accélération plus puissante.
Cette compréhension plus approfondie de la physique sera probablement cruciale pour améliorer les performances des ordinateurs et ouvrir de nouvelles possibilités pour les sciences des matériaux. Et ce faisant, elle permettra à l’humanité de devenir une civilisation véritablement avancée, capable de naviguer dans les étoiles, de créer une véritable intelligence artificielle ou de profiter d’une énergie abondante et illimitée.
Société liée au CERN
CEVA
(CEVA )
CEVA est une entreprise de capteurs et partenaire du CERN. Elle utilise l'algorithme de l'institution pour améliorer l'efficacité et la consommation énergétique de ses capteurs. Les solutions et la propriété intellectuelle de CEVA (200 brevets) sont intégrées dans 18 milliards d'appareils.
Les solutions de l’entreprise sont utilisées par de nombreuses grandes marques électroniques dans le monde entier.
Source: CEVA
L’application principale de la collaboration entre le CEVA et le CERN est « Edge AI », ou des applications d’intelligence artificielle déployées sur des appareils éloignés des centres de données (le cloud) et plus proches des consommateurs (le edge).
Il n’est pas surprenant de voir des algorithmes de physique des particules réutilisés dans des applications d’IA, comme les réseaux neuronaux ont été utilisés, par exemple, pour trouver le boson de Higgs. L’analyse des données des accélérateurs de particules doit être effectuée sur site plutôt que dans le cloud, en raison du volume considérable de données produites très rapidement.
Ceva a aidé le CERN à créer de nouveaux algorithmes de compression qui pourront être utilisés dans de futures expériences et pourra intégrer cette nouvelle technologie dans ses produits.
« Grâce à notre collaboration avec le CERN, nous avons pu développer une approche innovante qui permet aux réseaux de fonctionner jusqu'à 15 fois plus rapidement que les modèles de base 16 bits.
« Il améliore la vitesse du réseau et réduit la consommation d'énergie jusqu'à 90 % tout en maintenant une précision comparable. »
Olya Sirkin – Chercheuse senior en apprentissage profond chez Ceva
Il ne s’agit là que d’une des avancées technologiques de CEVA, l’entreprise étant active dans la connectivité sans fil, les capteurs (vision, audio, mouvement) et les algorithmes de réseaux neuronaux.
Source: CEVA
CEVA bénéficie grandement de la tendance combinée de la connectivité 5G (y compris la 5G par satellite) et de l'IoT (Internet des objets) avec des solutions d'IA intégrées, tant pour les solutions industrielles que domestiques. Elle est également leader dans les solutions WiFi 6 et occupe une position de leader dans le WiFi 7.
Source: Ruije
En tant qu'entreprise de logiciels et de propriété intellectuelle, CEVA est bien connue et est souvent oubliée par les investisseurs intéressés par les secteurs de l'IoT et de la 5G.
Il peut s'agir d'une entreprise intéressante à la pointe du progrès technologique en matière de traitement des données et d'IA de pointe, comme l'illustre sa sélection par le CERN pour contribuer à certaines des analyses de données les plus complexes jamais réalisées par l'humanité.
