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CERN: comprendere le particelle per costruire il mondo moderno
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Il CERN come radice della scienza moderna
L'Organizzazione europea per la ricerca nucleare, o CERN, è una delle strutture più importanti al mondo per lo studio delle particelle subatomiche e della fisica fondamentale.
Si tratta di un lavoro importante, poiché la fisica quantistica e la relatività sono state le scienze fondamentali alla base di molte, se non della maggior parte, delle innovazioni tecnologiche del mondo moderno, tra cui computer, telefoni cellulari, laser, telecomunicazioni, satelliti, risonanza magnetica, pannelli solari, microscopi avanzati, energia nucleare, ecc.
Questo perché tutte queste tecnologie richiedono una profonda comprensione del comportamento di atomi, elettroni e altre particelle su scala microscopica. E queste sono tutt'altro che intuitive, e vanno ben oltre il modello semplificato degli elettroni in orbita attorno al nucleo dell'atomo. Ad esempio, anche l'atomo più semplice possibile, l'idrogeno, richiede un'equazione complessa per descrivere il reale comportamento dei suoi elettroni.
Fonte: Dipartimento di Energia
Il CERN è stata anche un'iniziativa scientifica veramente globale e internazionale da cui sono nate molte altre scoperte, tra cui la stessa Internet.
Infine, la costruzione, la gestione e l'ammodernamento delle strutture del CERN hanno rappresentato un importante motore per l'impulso alla ricerca e all'ingegneria in molti campi scientifici avanzati, come i superconduttori, i sensori e i laser e i magneti ultrapotenti.
Scienza ambiziosa fin dal primo giorno
Il CERN è stato fondato nel 1954 da 12 paesi europei, con l'acronimo in lingua francese "Conseil Europeen pour la Recherche Nucléaire” dandogli il nome.
Fonte: wikipedia
Non sarebbe esagerato affermare che gran parte della fisica delle particelle moderna è nata al CERN, in particolare:
- La scoperta dei bosoni deboli, che trasportano una delle quattro forze fondamentali, valse il premio Nobel per la fisica nel 4.
- La prima creazione di atomi di anti-idrogeno.
- La scoperta di un nuovo stato della materia: il plasma di quark e gluoni.
- Premio Nobel per la fisica del 1992 a un ricercatore del CERN per l'invenzione e lo sviluppo dei rivelatori di particelle.
- Premio Nobel per la fisica 2013 ai ricercatori del CERN per la descrizione e l'osservazione dei bosoni di Higgs (responsabili della massa delle particelle).
Fonte: CERN
Oggi, il CERN coinvolge 25 paesi come membri a pieno titolo e 10 membri associati, che è il primo passo prima di una potenziale adesione a pieno titolo. A questi si dovrebbe aggiungere anche la stretta relazione con 3 paesi con status di osservatore (Giappone, Russia, USA) e la collaborazione o il contatto scientifico con quasi tutti i paesi della Terra.
Il CERN impiega direttamente 3,500 persone, il gruppo più numeroso è composto da scienziati e ingegneri, seguito dai tecnici, seguiti da un centinaio di fisici ricercatori.
Fonte: CERN
Infrastrutture del CERN
Nessuno dei risultati conseguiti dal CERN sarebbe stato possibile senza l'ingegneria di livello mondiale impiegata per costruire il suo acceleratore di particelle e i suoi rilevatori.
Gli acceleratori di particelle funzionano spostando le particelle in un vuoto spinto, privo di aria o polvere. Potenti elettromagneti e campi elettrici accelerano le particelle e le mantengono confinate nell'acceleratore. La particella accelerata, a volte al 99.9% della velocità della luce (299 792 458 metri al secondo / 186,000 miglia al secondo), colpisce un altro fascio di particelle o un bersaglio fisso.
L'estrema velocità e l'energia di queste collisioni consentono agli scienziati di comprendere meglio la natura fondamentale di queste particelle.
Fonte: Dipartimento di Energia
Oggi, il principale acceleratore di particelle del CERN è l'LHC (Large Hadron Collider), situato a Ginevra, in Svizzera. L'LHC è un tunnel sotterraneo profondo fino a 175 metri (575 piedi), che forma un cerchio di 27 chilometri (17 miglia) di circonferenza.
In futuro, potrebbe essere oscurato da un acceleratore ancora più grande, lungo 90-100 km, che passerà sotto il lago di Ginevra e tutt'intorno alla città (maggiori dettagli di seguito).
Fonte: swisstopo
Oggi, oltre al LHC “principale”, il CERN gestisce altri 11 acceleratori di particelle per esigenze di ricerca specifiche su particelle più pesanti, protoni, plasma, studio di nuclei instabili, ecc. Questi acceleratori di particelle spesso si completano a vicenda, con molti che “alimentano” le particelle richieste negli altri in un complesso sistema di interblocco.
Fonte: CERN
L'istituzione possiede inoltre non meno di 11 acceleratori e collisori di particelle dismessi, costruiti a partire dagli anni '1950.
Tecnologia CERN
LHC
La posizione sotterranea dell'LHC è dovuta a un mix di ragioni scientifiche e finanziarie. È più economico scavare un tunnel che acquisire un cerchio di 27 km di diametro in superficie, soprattutto nella costosa regione di Ginevra. Gli strati di roccia proteggono inoltre l'impianto dalle radiazioni cosmiche e superficiali.
Fonte: CERN
L'LHC è l'acceleratore di particelle più potente mai costruito. Consuma in media 600 GWH all'anno, circa la metà del consumo energetico totale del CERN, pari a 1.3 TWh. Per fare un paragone, l'intera Francia consuma 500 TWh, l'UE 3400 TWh e il mondo 20,000 TWh.
L'LHC fa collidere tra loro 2 fasci di particelle, ciascuno dei quali viaggia a una velocità prossima a quella della luce. Sono guidati e confinati da 9593 elettromagneti superconduttivi raffreddato mediante elio liquido a -271.3°C (-456.34°F).
La maggior parte del consumo energetico dell'operazione è dovuto agli elettromagneti, sia per il loro funzionamento, sia per l'energia necessaria a produrre questa enorme quantità di elio liquido.
Obiettivi LHC
L'LHC ha effettuato la sua prima collisione nel 2008 e si prevede che continuerà a funzionare fino al 2040. Dopo una prima fase che ha visto la scoperta del bosone di Higgs, sono in corso massicci lavori di aggiornamento e manutenzione per preparare la seconda fase, che porterà la potenza dell'LHC a collisioni da 13 TeV (tera elettronvolt).
Dopo la scoperta del bosone di Higgs, si prevede che l'LHC contribuirà a rispondere a domande fondamentali sull'Universo, tra cui il ruolo e la natura della cosiddetta energia oscura e della materia oscura.
I livelli energetici estremi raggiunti dovrebbero anche darci informazioni sulla fase iniziale dell'Universo, in uno stato di "plasma di quark e gluoni".
ATLAS
Un complemento fondamentale dell'LHS è il rivelatore di particelle ATLAS. È il più grande rivelatore di particelle mai costruito, con i suoi 46 metri (150 piedi) di lunghezza e 25 metri (82 piedi) di diametro.
I rilevatori contengono oltre 100 milioni di canali elettronici sensibili per registrare le particelle prodotte dalle collisioni.
Contiene molti sotto-rilevatori, ognuno dei quali svolge un ruolo separato, per rilevare contemporaneamente fotoni, elettroni, muoni, pioni, ecc.
Fonte: ATLAS
Oltre 5900 fisici, ingegneri, tecnici, studenti e amministratori hanno lavorato alla costruzione e alla gestione di ATLAS, in rappresentanza di 180 istituzioni scientifiche di oltre 40 paesi.
CERN – Tecnologie nate
Tutti questi chilometri di acceleratori di particelle hanno prodotto nel tempo molta tecnologia utile all'umanità.
Inventare Internet
Forse la tecnologia più innovativa mai uscita dal CERN è stata Internet.
Il CERN ha creato il protocollo TCP/IP per la propria rete interna e il concetto del World Wide Web è stato inventato al CERN da Tim Berners-Lee, che ha fatto il primo sito web (segui il link per vedere come appariva).
Inizialmente era stato pensato come un modo per consentire ai ricercatori di scambiare dati e idee più facilmente.
Fonte: CERN
Nel 1993, il CERN offrì il software World Wide Web al mondo come proprietà intellettuale di pubblico dominio. Sarebbe stato anche un pioniere nel grid computing, il processo di esecuzione di un calcolo tramite più computer connessi tramite il web.
Quindi, forse paradossalmente, uno dei più grandi contributi del CERN, un'organizzazione di ricerca sugli acceleratori di particelle, è stato quello di promuovere il libero scambio di tutte le conoscenze, i dati e i software, anziché un esperimento di fisica quantistica.
Applicazioni mediche
Un'applicazione della ricerca del CERN è una comprensione più approfondita degli acceleratori di particelle. Acceleratori di dimensioni ridotte sono ora utilizzati di routine negli ospedali per la radioterapia nel trattamento del cancro. La ricerca continua li ha resi sempre più efficienti, piccoli ed economici nel tempo.
Un ulteriore contributo alla terapia del cancro è dato dalla medicina nucleare, ovvero dall'uso di isotopi rari per uccidere le cellule tumorali.
Alcuni di questi radioisotopi vengono prodotti esclusivamente al CERN.
Un altro campo in cui la fisica delle particelle è fondamentale è l'imaging medico: dai raggi X alla risonanza magnetica, dalla PET alla tomografia computerizzata (TC).
Diversi miglioramenti nella radioterapia adronica, così come nell'imaging medicog, proviene direttamente dai sensori sviluppati per il rilevatore di particelle ATLAS.
Durante la pandemia di Covid, il CERN ha sviluppato uno strumento open source (COVID Airborne Risk Assessment tool – CARA) per modellare la concentrazione del virus in spazi chiusi con parametri variabili, come dimensioni della stanza, tempo trascorso nella stanza, uso della mascherina, numero di persone e ventilazione.
Energia e tecnologia verde
Il CERN collabora con Airbus mettendo a frutto la propria competenza nella progettazione di cavi superconduttori per aeroplani potenzialmente più leggeri o addirittura elettrici.
L'esperienza dell'istituto nel testare materiali a temperature estremamente basse è utile anche per testare il potenziale dell'idrogeno nel trasporto aereo.
Il CERN collabora inoltre strettamente con ITER, il più grande progetto di fusione nucleare al mondo, che potrebbe offrire una fornitura illimitata di energia pulita se avesse successoConsiderando che la fusione nucleare si basa principalmente su magneti ultrapotenti e materiali superconduttori, la sovrapposizione con le competenze del CERN è evidente.
Elaborazione dei dati
Quando vengono rilevate particelle, il flusso di dati generato in microsecondi è enorme. Ancora più problematico, questi 40 terabyte al secondo non possono essere memorizzati per un'elaborazione successiva.
Ciò ha portato gli scienziati del CERN a diventare esperti nella progettazione di algoritmi in grado di decidere al volo quali dati siano di maggiore interesse.
Il CERN collabora con aziende come CEVA (sensori) o Motori ABB utilizzare tali algoritmi per ottimizzare il consumo energetico delle strutture e delle apparecchiature del CERN in fase di sviluppo.
Questo viene utilizzato anche dalla società di sicurezza automobilistica Zensact per sviluppare sistemi di guida autonoma a bassa latenza.
Gli stessi principi vengono applicati ai droni e ai sistemi robotici in generale, in particolare con l'azienda Terabee.
Aeronautico
Il CERN vanta una lunga esperienza nella gestione di forme di radiazioni intense e talvolta esotiche prodotte dalle sue apparecchiature e dai suoi esperimenti.
Questa tecnologia può essere sfruttata in applicazioni pratiche per la schermatura dalle radiazioni dei satelliti e per esperimenti spaziali con equipaggio umano, spesso in collaborazione con l'Agenzia spaziale europea (ESA).
Ad esempio, il CERN possiede l'unica installazione sulla Terra in grado di riprodurre il duro ambiente radiativo di Giove.
Altre applicazioni
L'esigenza del CERN di avere tutti i suoi rilevatori e sistemi di particelle in perfetta sincronizzazione, fino al nanosecondo, ha reso il centro un esperto anche in questo campo.
Gli standard open source "CERN-born time-synchronisation" possono essere utilizzati nelle telecomunicazioni, nei mercati finanziari e nelle reti quantistiche. Ad esempio, il fornitore di servizi di trading Borsa tedesca lo sta utilizzando nella propria infrastruttura di sistema commerciale.
Formazione
Il CERN svolge anche il ruolo di risorsa didattica per le scienze e la fisica avanzate.
Ciò include la fornitura gratuita un modello stampabile in 3D delle sue attrezzature, fumetti esplicativi e materiali didattici per gli insegnanti.
Parallelamente, fornisce gratuitamente il proprio framework di biblioteca digitale flessibile, ad alte prestazioni e open source, oggi utilizzato da biblioteche, università e istituzioni globali.
La dedizione del CERN alla condivisione della conoscenza si manifesta anche nel suo spin-off Orvium, un'infrastruttura editoriale per pubblicazioni scientifiche open source e decentralizzate.
Infine, il CERN offre visite didattiche alle strutture, al museo locale e alle mostre d'arte.
Infrastrutture e risultati futuri del CERN
LHC ad alta luminosità (HL–LHC)
Mentre i ricercatori e i tecnici del CERN lavorano duramente per sfruttare al meglio le attuali installazioni, guardano anche ai prossimi passi.
Il primo sarà il “LHC ad alta luminosità”, o HL–LHC, un aggiornamento che mira ad aumentare la luminosità dell'LHC di 10 volte. Ad esempio, l'High-Luminosity LHC produrrà almeno 15 milioni di bosoni di Higgs all'anno, rispetto ai circa tre milioni dell'LHC nel 2017.
Fonte: CERN
L'aggiornamento includerà miglioramenti nei magneti, nei collegamenti dei superconduttori, una protezione rinforzata e acceleratori migliori.
HL–LHC dovrebbe essere operativo a metà degli anni 2030, poiché i lavori di ingegneria civile sono iniziati nell’aprile 2018 e ha ricevuto i suoi primi magneti a dicembre 2024.
Collisore circolare futuro (FCC)
Dopo l'LHC, si prevede che il prossimo passo degli acceleratori di particelle sarà un gigantesco progetto da 90 km, chiamato il Future Circular Collider (FFC)Sarà costruito a una profondità media di 200 metri (656 piedi).
I primi esperimenti dureranno 15 anni, a partire dalla metà degli anni 2040 con l'FCC-ee, un acceleratore di elettroni e positroni. Si prevede che il consumo energetico dell'FCC-ee varierà tra 1 e 1.8 TWh/anno.
Una seconda macchina, l'FCC-hh, un acceleratore protone-protone, verrebbe installata nello stesso tunnel e entrerebbe in funzione nel 2070, per oltre 25 anni.
Si prevede che l'intero progetto costerà circa CHF 15B, distribuiti su 15 anni. Il completamento finale dello studio di fattibilità è previsto per il 2025, con una decisione finale da parte del comitato del CERN entro il 2027-2028 e l'inizio della costruzione negli anni 2030.
La FCC potrebbe studiare le particelle previste da teorie che vanno oltre il modello standard della fisica delle particelle, il che richiederebbe rilevatori più sensibili o un'accelerazione più potente.
Questa comprensione più approfondita della fisica sarà probabilmente cruciale per migliorare le prestazioni dei computer e aprire nuove possibilità per le scienze dei materiali. E così facendo, consentire all'umanità di diventare una civiltà veramente avanzata in grado di navigare tra le stelle, creare una vera intelligenza artificiale o godere di energia abbondante e illimitata.
Società collegata al CERN
CEVA
(CEVA )
CEVA è un'azienda produttrice di sensori e partner del CERN per l'utilizzo dell'algoritmo istituzionale al fine di migliorare l'efficienza e il consumo energetico dei suoi sensori. Le soluzioni e la proprietà intellettuale di CEVA (200 brevetti) sono integrate in 18 miliardi di dispositivi.
Le soluzioni aziendali sono utilizzate da molti dei principali marchi di elettronica in tutto il mondo.
Fonte: CEVA
L'applicazione principale della collaborazione tra CEVA e CERN è "Edge AI", ovvero applicazioni di intelligenza artificiale distribuite su dispositivi lontani dai data center (il cloud) e più vicini ai consumatori (l'edge).
Potrebbe non sorprendere vedere gli algoritmi di fisica delle particelle riutilizzati nelle applicazioni di intelligenza artificiale, come le reti neurali sono state utilizzate, ad esempio, per trovare la particella del bosone di Higgs. L'analisi dei dati dell'acceleratore di particelle deve essere eseguita in loco anziché nel cloud, a causa dell'enorme volume di dati prodotti molto rapidamente.
Ceva ha aiutato il CERN a creare nuovi algoritmi di compressione che potranno essere utilizzati in esperimenti futuri e saranno in grado di integrare questa nuova tecnologia nei suoi prodotti.
"Grazie alla nostra collaborazione con il CERN siamo stati in grado di sviluppare un approccio innovativo che consente alle reti di funzionare fino a 15 volte più velocemente rispetto ai modelli di base a 16 bit.
Aumenta la velocità della rete e riduce il consumo energetico fino al 90%, mantenendo al contempo una precisione comparabile."
Olya Sirkin – Ricercatrice Senior di Deep Learning presso Ceva
Questo è solo uno dei progressi tecnologici di CEVA, azienda attiva nella connettività wireless, nei sensori (visione, audio, movimento) e negli algoritmi delle reti neurali.
Fonte: CEVA
CEVA trae grandi vantaggi dalla tendenza combinata della connettività 5G (incluso il 5G satellitare) e IoT (Internet of Things) con soluzioni AI integrate, sia per soluzioni industriali che domestiche. È inoltre leader nelle soluzioni WiFi 6 e ha una posizione di leadership nel WiFi 7.
Fonte: Rugiada
In quanto azienda di software e proprietà intellettuale, CEVA è molto nota e spesso trascurata dagli investitori interessati ai settori IoT e 5G.
Può essere un'azienda interessante all'avanguardia del progresso tecnologico nell'elaborazione dei dati e nell'intelligenza artificiale avanzata, come dimostra la scelta del CERN di utilizzarla per contribuire ad alcune delle analisi di dati più complesse mai eseguite dall'umanità.
