mini|Logo zum 50. Jubiläum von CERN mini|Das Hauptgelände des CERN aus der Luft mini|Haupteingang des CERN in Meyrin mini|Globus der Wissenschaft und Innovation – Zentrum für Veranstaltungen und Ausstellungen
Das CERN, die Europäische Organisation für Kernforschung, ist eine Großforschungseinrichtung in der Nähe von Genf, die teilweise in Frankreich und teilweise in der Schweiz liegt. Am CERN wird physikalische Grundlagenforschung betrieben, insbesondere wird mit Hilfe großer Teilchenbeschleuniger der Aufbau der Materie erforscht. Der derzeit (2024) bedeutendste ist der besonders große Large Hadron Collider (LHC), der 2008 in Betrieb genommen wurde.
Das Akronym CERN leitet sich vom französischen Namen des Rates ab, der mit der Gründung der Organisation beauftragt war, dem Conseil européen pour la recherche nucléaire. Die offiziellen Namen des CERN sind European Organization for Nuclear Research im Englischen beziehungsweise Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire im Französischen.
Derzeit hat das CERN 25 Mitgliedstaaten. Mit etwa 3.400 Mitarbeitern (Stand: 31. Dezember 2017)CERN – Human Resources Department: CERN Personnel Statistics 2017 – Juli 2017 (bei CDS, englisch). ist das CERN das weltweit größte Forschungszentrum auf dem Gebiet der Teilchenphysik. Über 14.000 Gastwissenschaftler aus 85 Nationen arbeiten an CERN-Experimenten. Das Jahresbudget des CERN belief sich 2023 auf ungefähr 1,23 Milliarden Schweizer Franken (ca. 1,27 Milliarden Euro)., CERN Resources planning, Processes and Controlling Group (Abgerufen am 13. Mai 2014).
Das CERN ist außerdem der Geburtsort des World Wide Web.Benedikt Meyer: World Wide Web Im Blog des Schweizerischen Nationalmuseums vom 25. Mai 2020.Joshua Quittner: Network Designer Tim Berners-Lee. In: time.com, Time Magazine, 29. März 1999 (englisch).
Geschichte Gründung Nach zwei UNESCO-Konferenzen in Florenz und Paris unterzeichneten elf europäische Regierungen die Vereinbarung zu einem provisorischen CERN. Im Mai 1952 traf sich der provisorische Rat zum ersten Mal in Paris. Am 29. Juni 1953, auf der 6. Konferenz des provisorischen CERN in Paris, unterzeichneten Vertreter der zwölf europäischen Staaten die Gründungsurkunde. Im Oktober 1953 wurde auf einer Konferenz in Amsterdam der Sitz des CERN und dessen Laboratoriums in der Nähe von Genf bestimmt. Am 24. Februar 1954 erfolgte die 1. Konferenz des CERN-Rates nach der Gründung in Genf. Am 29. September 1954 ratifizierten sieben der zwölf Mitgliedstaaten den Staatsvertrag zur Gründung. Am 10. Juni 1955 erfolgte die Grundsteinlegung des CERN-Laboratoriums durch Felix Bloch, den ersten regulären Generaldirektor des CERN. Im gleichen Zeitraum fand die 1. Genfer Atomkonferenz statt, eine große Konferenz mit internationaler Beteiligung und wissenschaftlichen Beiträgen zur Kernphysik und Kerntechnik.
Erste Beschleuniger Ursprünglich war das CERN vor allem für die Forschung im Bereich der Kernenergie vorgesehen, schon bald entstanden aber die ersten Teilchenbeschleuniger. 1957 wurde das Synchro-Zyklotron (SC), das Protonen auf bis zu 600 MeV beschleunigte, in Betrieb genommen, das erst nach über 33 Jahren Betrieb 1990 abgeschaltet werden sollte. Am 24. November 1959 folgte das Protonen-Synchrotron (PS) mit einer (damals weltweit höchsten) Protonenenergie von 28 GeV, es arbeitet heute noch als Vorbeschleuniger. 1965 erfolgte eine Vereinbarung mit Frankreich, die geplanten Protonen-Speicherringe, Intersecting Storage Rings (ISR) genannt, auch auf französischen Boden auszubauen. 1968 erfand Georges Charpak einen Teilchendetektor, der in einer gasgefüllten Kammer eine große Anzahl parallel angeordneter Drähte zur besseren Orts- und Energieauflösung enthielt. Er revolutionierte mit dieser Drahtkammer den Teilchennachweis und erhielt 1992 den Nobelpreis für Physik. 1970 belief sich das Budget des CERN auf 370 Millionen Schweizer Franken. Die Kosten wurden 1970 zu 23 Prozent durch die Bundesrepublik Deutschland, zu 22 Prozent durch das Vereinigte Königreich und zu 20 Prozent von Frankreich getragen.
1970/71 gingen die großen Blasenkammern Gargamelle und BEBC zur Untersuchung von Neutrino-Reaktionen in Betrieb. 1971 wurde auch der ISR fertiggestellt. 1973 gelang mit Gargamelle die Entdeckung der neutralen Ströme der Z0-Teilchen durch André Lagarrigue. 1976 folgte als neuer Beschleuniger das Super-Protonen-Synchrotron (SPS), das auf einem Bahnumfang von 7 km Protonen mit 400 GeV liefert. 1981 wurde es zum Proton-Antiproton-Collider ausgebaut; dabei wurde die Technik der stochastischen Kühlung von Simon van der Meer genutzt. Im Mai 1983 wurden am CERN die W- und Z-Bosonen entdeckt, Carlo Rubbia und Simon van der Meer erhielten dafür 1984 den Nobelpreis.
Die im Laufe der über 60-jährigen Geschichte verwendeten und inzwischen abgebauten oder außer Betrieb gesetzten Beschleuniger sind: Large Electron-Positron Collider (LEP, der Vorgänger des LHC, außer Betrieb) Synchro-Cyclotron (Synchro-Zyklotron, außer Betrieb) Intersecting Storage Rings (Speicherringe, ISR, außer Betrieb) Low Energy Antiproton Ring (LEAR, zu LEIR umgebaut)
Large Electron-Positron Collider Im August 1989 ging der Large Electron-Positron Collider (LEP) in Betrieb, einer der größten jemals gebauten Beschleuniger. In einem Tunnel von 27 km Länge kollidierten hier an ausgewählten Orten Elektronen und ihre Antiteilchen, die Positronen, mit Energien von 100 GeV. 1996 wurden am LEAR-Speicherring (Low Energy Antiproton Ring) erstmals Antiwasserstoffatome produziert, es gab dabei erste Hinweise auf geringfügige Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie (CP-Verletzung), was 2001 durch ein weiteres Experiment bestätigt wurde.
Die vier Detektoren am LEP wurden für den Test des Standardmodells entwickelt. Sie wurden nach erfolgreichem Betrieb abgebaut, um Platz für die LHC-Detektoren zu schaffen. Es handelte sich um die folgenden LEP-Detektoren: ALEPH (Apparatus for LEp PHysics) dient zum Nachweis von Teilchen, die bei der Kollision von Elektronen und Positronen entstehen DELPHI (DEtector with Lepton PHoton and Hadron Identification): Teilchenidentifikation sowie dreidimensionale Teilchenspuren OPAL (Omni Purpose Apparatus for Lep) ist ein großer, zwiebelförmig aufgebauter Vielzweckdetektor zur Messung von Reaktionsprodukten L3-Detektor: Der größte LEP-Detektor enthält mehr als 10.000 Kristalle aus Bismutgermanat zum Nachweis von Elektronen und Photonen. L3 erhielt diesen Namen, weil es sich um den dritten eingereichten Vorschlag für einen LEP-Detektor handelte.
Im Jahre 1999 begannen die Bauarbeiten für den LHC in dem Tunnel des Large Electron-Positron Colliders. Im Jahre 2000 wurde der LEP endgültig abgeschaltet.
Experimente und Anlagen Grundlagenforschung Am CERN werden der Aufbau der Materie und die fundamentalen Wechselwirkungen zwischen den Elementarteilchen erforscht, also die grundlegende Frage, woraus das Universum besteht und wie es funktioniert. Mit großen Teilchenbeschleunigern werden Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Kollision gebracht. Mit einer Vielzahl unterschiedlicher Teilchendetektoren werden sodann die Flugbahnen der bei den Kollisionen entstandenen Teilchen rekonstruiert, woraus sich wiederum Rückschlüsse auf die Eigenschaften der kollidierten sowie der neu entstandenen Teilchen ziehen lassen. Dies ist mit einem enormen technischen Aufwand für die Herstellung und den Betrieb der Anlagen sowie mit extremen Anforderungen an die Rechnerleistung zwecks Datenauswertung verbunden. Auch aus diesem Grund wird CERN international betrieben und finanziert.
Beschleuniger
mini|Linearbeschleuniger im CERN
Am Anfang der Experimente stehen Beschleuniger, welche den Teilchen die für die Untersuchungen notwendige kinetische Energie verleihen. Hervorzuheben sind das Super Proton Synchrotron (SPS) für die Vorbeschleunigung und der Large Hadron Collider (LHC), der Große Hadronen-Speicherring, der bei weitem größte und aufwendigste Beschleuniger, der am Anfang vieler Experimente steht. Weitere Anlagen sind die CERN Hadron Linacs: Protonen-Linearbeschleuniger (Linac2; 50 MeV) Schwerionen-Linearbeschleuniger (Linac3) Protonen-Linearbeschleuniger (Linac4; 160 MeV) und darüber hinaus: Proton Synchrotron Booster (PSB) Proton Synchrotron (PS) Low Energy Ion Ring (LEIR) Antiproton Decelerator (AD) Isotope Separator On Line DEvice (ISOLDE)
Large Hadron Collider
mini|Aufbau der gegenwärtigen Anlage
Der Large Hadron Collider (LHC) ist der größte Teilchenbeschleuniger der Welt. Der Beschleunigerring hat einen Umfang von 26.659 m und enthält 9.300 Magnete. Zur Durchführung der Experimente muss der Speicherring in zwei Schritten auf die Betriebstemperatur heruntergekühlt werden. Im ersten Schritt werden die Magnete mit Hilfe von flüssigem Stickstoff auf 80 K (−193,2 °C), in einem zweiten Schritt mittels flüssigen Heliums auf 1,9 K (−271,25 °C) heruntergekühlt. Anschließend wird die Anlage kontrolliert hochgefahren. Die Teilchen werden in mehreren Umläufen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und mit extrem hoher kinetischer Energie zur Kollision gebracht.
Am 8. August 2008 wurden die ersten Protonen in den LHC geschossen, am 10. September 2008 folgte der erste Rundumlauf von Protonen. Noch vor dem 21. Oktober 2008 sollte es zu den ersten Protonen-Kollisionen kommen; dieser Termin konnte jedoch auf Grund der erzwungenen Abschaltung nach einem Problem nicht eingehalten werden. Am 23. Oktober 2009 wurden erneut Protonen in den Tunnel injiziert.CERN-Bulletin (fr/en). Am 30. März 2010 gelang es erstmals, Protonen mit einer Rekordenergie von jeweils 3,5 TeV (also insgesamt 7 TeV) aufeinandertreffen zu lassen.Urknall-Experiment glückt ohne Weltuntergang in Die Welt vom 30. März 2010. Es wurden auch erfolgreich Blei-Ionen zur Kollision gebracht,, abgerufen am 22. November 2015. sowie Kollisionen von Blei-Ionen mit Protonen herbeigeführt.
2012 wurde die Gesamtenergie auf 8 TeV erhöht. Seither operiert der LHC in einer Folge von Runs, in denen Experimente laufen, unterbrochen von planmäßigen Pausen, die für Reparaturen und Verbesserungen genutzt werden. Nach der ersten Langzeit-Abschaltung Long Shutdown LS1 lief der LHC seit dem 5. April 2015 mit einer Gesamtenergie von 13 TeV. Von Ende 2018 an wurde der LHC im Rahmen des zweiten planmäßigen langen Shutdowns (LS2) auf den Betrieb bei der Designenergie von 14 TeV und höherer Kollisionsrate aufgerüstet, seit 22. April 2022 läuft „Run 3“.
Detektoren Die bei den Kollisionen entstehenden Teilchen werden im Rahmen verschiedener Experimente mit Hilfe von Detektoren registriert und anschließend von internationalen Wissenschaftler-Teams mittels spezieller Computerprogramme analysiert. Die Experimente bzw. Detektoren am LHC sind: ALICE () ist ein Vielzweckdetektor, optimiert für Kollisionen von Schwerionen, zum Beispiel Blei, bei denen extreme Energiedichten eintreten. ATLAS () mit zwiebelförmigen Aufbau untersucht vor allem hochenergetische Proton-Proton-Kollisionen. Insbesondere soll der Nachweis des Higgs-Teilchens gelingen. Im Juli 2012 gelang mit ATLAS in Verbindung mit CMS der Nachweis (5σ) des seit 1964 vermuteten Higgs-Bosons. Für die Veröffentlichungen zur Vorhersage dieses Teilchens wurde nach der Entdeckung der Physik-Nobelpreis vergeben. Außerdem wurde nach supersymmetrischen Teilchen gesucht. CMS () untersucht ebenfalls Proton-Proton-Kollisionen; Besonderheiten sind ein Kalorimeter aus Bleiwolframat-Kristallen für hochenergetische Photonen, zusätzliche Halbleiterspurdetektoren und ein Myon-Nachweissystem. CMS und ATLAS sind so konzipiert, dass sie eine gegenseitige Überprüfung wissenschaftlicher Resultate garantieren. LHCb () vermisst CP-Verletzung bei B- und D-Mesonen, und sucht nach seltenen Zerfällen von Hadronen, die das schwere Bottom-Quark enthalten. TOTEM () zur Ermittlung der Größe des Protons mit bislang noch unerreichter Genauigkeit.