المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية ، الحدود الفرنسية السويسرية

تعتبر المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية ، التي يطلق عليها أيضًا المختبر الأوروبي لفيزياء الجسيمات والمعروفة بالاختصار CERN أو Cern (من اسم المجلس الأوروبي للأبحاث النووية ، وهي هيئة مؤقتة تأسست عام 1952) ، أعظم فيزياء الجسيمات مركز العالم. تقع على بعد كيلومترات قليلة من جنيف ، سويسرا ، على امتداد الحدود الفرنسية السويسرية ، في بلديات ميرين ، وبريفيسين-موان ، وسان جينيس بويي.

تهدف CERN إلى فهم أفضل لما يتكون الكون وكيف يعمل. للقيام بذلك ، تزود CERN العلماء بمسرعات الجسيمات المعقدة والفريدة من نوعها في العالم ، مما يمكنهم من تخطي حدود المعرفة البشرية. تأسس المختبر في عام 1954 ، وأصبح مثالًا رائعًا للتعاون الدولي. مهمتنا هي: توفير مجمع فريد من مسرعات الجسيمات لتمكين البحث في طليعة المعرفة البشرية ؛ لإجراء أبحاث على مستوى عالمي في الفيزياء الأساسية ؛ جمع الناس معًا من جميع أنحاء العالم لدفع حدود العلم والتكنولوجيا لصالح الجميع.

تأسست CERN في عام 1954 ، ويقع مقرها في إحدى الضواحي الشمالية الغربية لجنيف على الحدود الفرنسية السويسرية وتضم 23 دولة عضو. إسرائيل هي الدولة الوحيدة غير الأوروبية التي حصلت على العضوية الكاملة. سيرن هو مراقب رسمي للأمم المتحدة. يستخدم الاختصار CERN أيضًا للإشارة إلى المختبر ، الذي كان يضم في عام 2016 2500 موظف علمي وتقني وإداري ، واستضاف حوالي 12000 مستخدم.

تتمثل المهمة الرئيسية لـ CERN في توفير مسرعات الجسيمات والبنية التحتية الأخرى اللازمة لأبحاث فيزياء الطاقة العالية – ونتيجة لذلك ، تم إنشاء العديد من التجارب في CERN من خلال التعاون الدولي. يستضيف الموقع الرئيسي في Meyrin منشأة حوسبة كبيرة ، تُستخدم في المقام الأول لتخزين وتحليل البيانات من التجارب ، فضلاً عن محاكاة الأحداث. يحتاج الباحثون إلى الوصول عن بُعد إلى هذه المرافق ، لذلك كان المختبر تاريخيًا محورًا رئيسيًا لشبكة المنطقة الواسعة. CERN هي أيضًا مسقط رأس شبكة الويب العالمية.

التاريخ
تم التصديق على الاتفاقية المنشئة لـ CERN في 29 سبتمبر 1954 من قبل 12 دولة في أوروبا الغربية. يمثل الاختصار CERN في الأصل الكلمات الفرنسية لـ Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (المجلس الأوروبي للأبحاث النووية) ، والذي كان مجلسًا مؤقتًا لبناء المختبر ، أنشأته 12 حكومة أوروبية في عام 1952. تم الاحتفاظ بالاختصار للمختبر الجديد بعد تم حل المجلس المؤقت ، على الرغم من تغيير الاسم إلى المنظمة الأوروبية الحالية للبحوث النووية (المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية) في عام 1954. وفقًا لـ Lew Kowarski ، المدير السابق لـ CERN ، عندما تم تغيير الاسم ، يمكن للاختصار أصبح OERN محرجًا ، وقال Werner Heisenberg أن هذا “يمكن أن يظل CERN حتى لو كان الاسم”.

كان أول رئيس لـ CERN هو السير بنجامين لوكسبيسر. كان إدواردو أمالدي هو الأمين العام لـ CERN في مراحله الأولى عندما كانت العمليات لا تزال مؤقتة ، بينما كان المدير العام الأول (1954) فيليكس بلوخ.

كان المختبر مخصصًا في الأصل لدراسة النوى الذرية ، ولكن سرعان ما تم تطبيقه على فيزياء الطاقة الأعلى ، والتي تهتم بشكل أساسي بدراسة التفاعلات بين الجسيمات دون الذرية. لذلك ، يُشار إلى المختبر الذي تديره CERN عمومًا باسم المختبر الأوروبي لفيزياء الجسيمات (Laboratoire européen pour la physique des الجزيئات) ، والذي يصف بشكل أفضل الأبحاث التي يتم إجراؤها هناك.

الأعضاء المؤسسين
في الدورة السادسة لمجلس المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN) ، التي انعقدت في باريس في الفترة من 29 يونيو إلى 1 يوليو 1953 ، تم التوقيع على اتفاقية إنشاء المنظمة ، بشرط التصديق عليها ، من قبل 12 دولة. تم التصديق على الاتفاقية تدريجياً من قبل الدول الأعضاء المؤسسة الاثنتي عشرة: بلجيكا والدنمارك وفرنسا وجمهورية ألمانيا الاتحادية واليونان وإيطاليا وهولندا والنرويج والسويد وسويسرا والمملكة المتحدة ويوغوسلافيا.

الاكتشافات
في عام 1983 ، تم تأكيد النظرية الكهروضعيفة تقريبًا ، وتكاد تكون القوى الضعيفة والكهرومغناطيسية موحدة. في هذا العام أيضًا ، 13 سبتمبر ، يبدأ العمل الأول لـ LEP. في عام 1984 ، حصل كارلو روبيا وسيمون فان دير مير على جائزة نوبل في الفيزياء في أكتوبر لاكتشافهما القوة الكهروضعيفة. بعد افتتاح LEP في عام 1989 ، أكدت تنبؤات النظرية حول القوة الكهروضعيفة ، ولا سيما وجود جسيمات مشحونة (بوزونات W) التي تبلغ كتلتها حوالي 80 ضعف كتلة البروتون بالإضافة إلى جسيم محايد (بوزون Z ) كتلته تساوي 91 ضعف كتلة البروتون.

بين عامي 1989 و 1990 ، قام تيم بيرنرز لي ، بالاشتراك مع روبرت كاييو ، بتصميم وتطوير نظام معلومات النص التشعبي ، شبكة الويب العالمية.

في عام 1992 ، حصل جورج شارباك على جائزة نوبل في الفيزياء للعمل الذي تم في CERN في عام 1968 (تطوير الغرفة النسبية متعددة الأسلاك).

في 18 نوفمبر 2010 ، أعلن الباحثون أنهم نجحوا في محاصرة ذرات الهيدروجين المضاد لأول مرة في مجال مغناطيسي.

في الرابع من تموز (يوليو) 2012 ، تم تحديد جسيم جديد تبدو خصائصه متوافقة مع خصائص بوزون هيغز كما وصفتها النظرية. أكدت النتائج الإضافية لهذه التجربة التي تمت معالجتها خلال عام 2013 أن هذا الجسيم الأولي الجديد هو بوزون هيجز ، الذي تتوافق خصائصه حتى الآن مع تلك التي وصفها النموذج القياسي. مُنحت جائزة نوبل في الفيزياء في عام 2013 إلى الفيزيائيين النظريين فرانسوا إنجليرت وبيتر هيغز عن عملهما النظري على هذا الجسيم ، وتوقع وجوده منذ الستينيات.

الانجازات العلمية
تم تحقيق العديد من الإنجازات المهمة في فيزياء الجسيمات من خلال التجارب في CERN. يشملوا:

1973: اكتشاف التيارات المحايدة في غرفة الفقاعات Gargamelle.
1983: اكتشاف بوزونات W و Z في تجارب UA1 و UA2 ؛
1989: تحديد عدد عائلات النيوترينو الخفيفة في مصادم الإلكترون-البوزيترون الكبير (LEP) الذي يعمل على قمة Z boson ؛
1995: أول إنتاج لذرات الهيدروجين المضاد في تجربة PS210 ؛
1999: اكتشاف انتهاك CP المباشر في تجربة NA48 ؛
2010: عزل 38 ذرة من الهيدروجين المضاد ؛
2011: الحفاظ على الهيدروجين المضاد لأكثر من 15 دقيقة ؛
2012: بوزون كتلته حوالي 125 جيجا إلكترون فولت / سي 2 بما يتوافق مع بوزون هيغز الذي طال انتظاره.
في سبتمبر 2011 ، جذبت CERN انتباه وسائل الإعلام عندما أبلغت OPERA Collaboration عن اكتشاف نيوترينوات ربما تكون أسرع من الضوء. أظهرت اختبارات أخرى أن النتائج كانت معيبة بسبب توصيل كابل مزامنة GPS بشكل غير صحيح.

مُنحت جائزة نوبل للفيزياء لعام 1984 لكارلو روبيا وسيمون فان دير مير عن التطورات التي أدت إلى اكتشافات بوزونات W و Z. مُنحت جائزة نوبل للفيزياء لعام 1992 للباحث في CERN جورج شارباك “لاختراعه وتطويره لكاشفات الجسيمات ، ولا سيما الغرفة النسبية متعددة الأسلاك”. مُنحت جائزة نوبل للفيزياء لعام 2013 إلى فرانسوا إنجليرت وبيتر هيغز عن الوصف النظري لآلية هيغز في العام الذي أعقب اكتشاف بوزون هيغز من خلال تجارب سيرن.

علوم الكمبيوتر
بدأت شبكة الويب العالمية كمشروع CERN المسمى INQUIRE ، والذي بدأه Tim Berners-Lee في 1989 و Robert Cailliau في 1990. تم تكريم Berners-Lee و Cailliau بشكل مشترك من قبل Association for Computing Machinery في عام 1995 لمساهمتهما في تطوير شبكة الانترنت.

بناءً على مفهوم النص التشعبي ، كان الهدف من المشروع تسهيل تبادل المعلومات بين الباحثين. تم تفعيل الموقع الأول في عام 1991. في 30 أبريل 1993 ، أعلنت CERN أن شبكة الويب العالمية ستكون مجانية لأي شخص. لا تزال نسخة من صفحة الويب الأصلية الأولى ، التي أنشأها بيرنرز لي ، منشورة على موقع اتحاد شبكة الويب العالمية كوثيقة تاريخية.

قبل تطوير الويب ، كانت CERN رائدة في إدخال تقنية الإنترنت ، بدءًا من أوائل الثمانينيات.

في الآونة الأخيرة ، أصبحت CERN مرفقًا لتطوير الحوسبة الشبكية ، واستضافة المشاريع بما في ذلك تمكين الشبكات من أجل العلوم الإلكترونية (EGEE) وشبكة الحوسبة LHC. كما تستضيف نقطة CERN Internet Exchange Point (CIXP) ، إحدى نقطتي تبادل الإنترنت الرئيسيتين في سويسرا.

مسرعات الجسيمات

المجمع الحالي
تدير CERN شبكة من ستة مسرعات ومبطئ. تزيد كل آلة في السلسلة طاقة حزم الجسيمات قبل تسليمها للتجارب أو إلى المسرع التالي الأكثر قوة. الأجهزة النشطة حاليًا (اعتبارًا من 2019) هي:

يولد المسرع الخطي LINAC 3 جزيئات منخفضة الطاقة. يوفر أيونات ثقيلة عند 4.2 ميغا فولت / ش للحقن في الحلقة الأيونية منخفضة الطاقة (LEIR).
يعمل معزز البروتون السنكروترون على زيادة طاقة الجسيمات المتولدة عن طريق مسرع البروتون الخطي قبل نقلها إلى المسرعات الأخرى.
تعمل حلقة الأيونات منخفضة الطاقة (LEIR) على تسريع الأيونات من المسرع الخطي الأيوني LINAC 3 ، قبل نقلها إلى Proton Synchrotron (PS). تم تشغيل هذا المسرع في عام 2005 ، بعد أن أعيد تكوينه من حلقة البروتون منخفضة الطاقة السابقة (LEAR).
28 GeV Proton Synchrotron (PS) ، الذي تم بناؤه خلال الفترة من 1954 إلى 1959 ولا يزال يعمل كمغذي لنظام SPS الأكثر قوة.
Super Proton Synchrotron (SPS) ، مسرع دائري يبلغ قطره 2 كيلومترًا تم بناؤه في نفق ، بدأ تشغيله في عام 1976. تم تصميمه لتوفير طاقة تبلغ 300 جيجا إلكترون فولت وتمت ترقيته تدريجياً إلى 450 جيجا إلكترون فولت. بالإضافة إلى وجود خطوط إشعاعية خاصة بها لتجارب الهدف الثابت (حاليًا COMPASS و NA62) ، فقد تم تشغيلها كمصادم بروتون ومضاد للبروتون (مصادم SppS) ، ولتسريع الإلكترونات عالية الطاقة والبوزيترونات التي تم حقنها في الإلكترون الكبير – مصادم البوزيترون (LEP). منذ عام 2008 ، تم استخدامه لحقن البروتونات والأيونات الثقيلة في مصادم الهادرونات الكبير (LHC).
فاصل كتلة النظائر عبر الإنترنت (ISOLDE) ، والذي يستخدم لدراسة النوى غير المستقرة. يتم إنتاج الأيونات المشعة بواسطة تأثير البروتونات بطاقة 1.0-1.4 GeV من Proton Synchrotron Booster. تم تشغيله لأول مرة في عام 1967 وأعيد بناؤه مع ترقيات كبيرة في عامي 1974 و 1992.
مبطئ البروتون المضاد (AD) ، والذي يقلل من سرعة البروتونات المضادة إلى حوالي 10٪ من سرعة الضوء لأبحاث المادة المضادة.
تجربة AWAKE ، وهي مسرع حقل بلازما لإثبات صحة المبدأ.
مرفق البحث والتطوير الخاص بمسرّع الإلكترون الخطي CERN للأبحاث (CLEAR).

مصادم هادرون كبير
تتضمن العديد من الأنشطة في CERN حاليًا تشغيل مصادم الهادرونات الكبير (LHC) والتجارب الخاصة به. يمثل LHC مشروع تعاون علمي عالمي واسع النطاق.

يقع نفق LHC على بعد 100 متر تحت الأرض ، في المنطقة الواقعة بين مطار جنيف الدولي وجبال جورا القريبة. يقع معظم طوله على الجانب الفرنسي من الحدود. يستخدم نفقًا دائريًا محيطيًا يبلغ طوله 27 كيلومترًا كان يشغله سابقًا مصادم الإلكترون البوزيتروني الكبير (LEP) ، والذي تم إغلاقه في نوفمبر 2000. تُستخدم مجمعات تسريع PS / SPS الحالية لـ CERN لتسريع البروتونات وأيونات الرصاص التي يتم حقنها مسبقًا في LHC.

توجد ثماني تجارب (CMS و ATLAS و LHCb و MoEDAL و TOTEM و LHCf و FASER و ALICE) على طول المصادم ؛ يدرس كل منهم تصادم الجسيمات من جانب مختلف وبتقنيات مختلفة. تطلب بناء هذه التجارب جهدًا هندسيًا غير عادي. على سبيل المثال ، تم استئجار رافعة خاصة من بلجيكا لإنزال أجزاء من كاشف CMS في كهفها ، حيث كانت كل قطعة تزن ما يقرب من 2000 طن. تم إنزال أول مغناطيس من أصل 5000 مغناطيس ضروري للبناء أسفل عمود خاص في الساعة 13:00 بتوقيت جرينتش في 7 مارس 2005.

بدأ المصادم LHC في توليد كميات هائلة من البيانات ، والتي تبثها CERN إلى المختبرات حول العالم للمعالجة الموزعة (بالاستفادة من البنية التحتية المتخصصة للشبكة ، شبكة حوسبة LHC). خلال أبريل 2005 ، نجحت إحدى التجارب في بث 600 ميغا بايت / ثانية إلى سبعة مواقع مختلفة حول العالم.

تم حقن حزم الجسيمات الأولية في LHC أغسطس 2008. تم تعميم الحزمة الأولى من خلال LHC بأكمله في 10 سبتمبر 2008 ، لكن النظام فشل بعد 10 أيام بسبب اتصال مغناطيسي معيب ، وتم إيقافه للإصلاح في 19 سبتمبر 2008 .

استأنف المصادم LHC عمله في 20 نوفمبر 2009 من خلال تعميم حزمتين بنجاح ، كل منهما بطاقة 3.5 تيرا إلكترون فولت (TeV). كان التحدي بالنسبة للمهندسين حينها هو محاولة ترتيب العمودين بحيث يصطدمان ببعضهما البعض. هذا مثل “إطلاق إبرتين عبر المحيط الأطلسي وجعلهما يضربان بعضهما البعض” وفقًا لستيف مايرز ، مدير المسرعات والتكنولوجيا.

في 30 مارس 2010 ، نجح المصادم LHC في اصطدام حزمتين بروتونيتين مع 3.5 تيرا إلكترون فولت من الطاقة لكل بروتون ، مما نتج عنه طاقة تصادم 7 إلكترون فولت. ومع ذلك ، كانت هذه مجرد بداية لما كان مطلوبًا للاكتشاف المتوقع لبوزون هيغز. عندما انتهت الفترة التجريبية 7 TeV ، تم تسريع LHC إلى 8 TeV (4 TeV لكل بروتون) بدءًا من مارس 2012 ، وسرعان ما بدأ تصادم الجسيمات عند تلك الطاقة. في يوليو 2012 ، أعلن علماء CERN عن اكتشاف جسيم ذري جديد تم تأكيده لاحقًا على أنه بوزون هيغز. في مارس 2013 ، أعلنت CERN أن القياسات التي أجريت على الجسيم المكتشف حديثًا سمحت لها باستنتاج أن هذا هو بوزون هيغز. في أوائل عام 2013 ، تم إلغاء تنشيط LHC لفترة صيانة مدتها سنتان ، لتقوية التوصيلات الكهربائية بين المغناطيسات داخل المسرع ولتحديثات أخرى.

في 5 أبريل 2015 ، بعد عامين من الصيانة والدمج ، تمت إعادة تشغيل المصادم LHC للتشغيل الثاني. تم تنفيذ أول منحدر للطاقة التي حطمت الرقم القياسي وهو 6.5 إلكترون فولت في 10 أبريل 2015. في عام 2016 ، تم تجاوز معدل تصادم التصميم لأول مرة. بدأت فترة الإغلاق الثانية لمدة عامين في نهاية عام 2018.

مسرعات قيد الإنشاء
اعتبارًا من أكتوبر 2019 ، يستمر البناء لترقية لمعان LHC في مشروع يسمى High Luminosity LHC (HL-LHC). يجب أن يشهد هذا المشروع ترقية مسرع LHC بحلول عام 2026 إلى مستوى سطوع أعلى.

كجزء من مشروع ترقية HL-LHC ، تتلقى أيضًا مسرعات CERN الأخرى وأنظمتها الفرعية ترقيات. من بين الأعمال الأخرى ، تم إيقاف تشغيل حاقن المسرع الخطي LINAC 2 ، ليتم استبداله بمسرع حاقن جديد ، LINAC 4 في عام 2020.

مسرعات خارج الخدمة
المسرع الخطي الأصلي LINAC 1. تم تشغيله 1959-1992.
حاقن المعجل الخطي LINAC 2. البروتونات المعجلة إلى 50 MeV للحقن في Proton Synchrotron Booster (PSB). تم تشغيله في الفترة من 1978 إلى 2018.
600 MeV Synchro-Cyclotron (SC) التي بدأت العمل في عام 1957 وتم إغلاقها في عام 1991. وتم تحويلها إلى معرض عام في 2012-2013.
حلقات التخزين المتقاطعة (ISR) ، مصادم مبكر بني من عام 1966 إلى عام 1971 ويعمل حتى عام 1984.
مصادم الإلكترون-البوزيترون الكبير (LEP) ، الذي عمل من 1989 إلى 2000 وكان أكبر آلة من نوعها ، يقع في نفق دائري بطول 27 كيلومترًا يضم الآن مصادم الهادرون الكبير.
مجمع مسرع LEP Pre-Injector (LPI) ، ويتكون من اثنين من مسرعات ، ومسرع خطي يسمى LEP Injector Linac (LIL ؛ يتكون نفسه من اثنين من مسرعات خطية متتالية تسمى LIL V و LIL W) ومسرع دائري يسمى Electron تراكم البوزيترون (وكالة حماية البيئة). كان الغرض من هذه المسرعات هو حقن حزم البوزيترون والإلكترون في مجمع تسريع CERN (بشكل أكثر دقة ، إلى Proton Synchrotron) ، ليتم تسليمها إلى LEP بعد عدة مراحل من التسريع. جاهزة للعمل 1987-2001 ؛ بعد إيقاف تشغيل LEP واستكمال التجارب التي تم تغذيتها مباشرة بواسطة LPI ، تم تكييف منشأة LPI لاستخدامها في مرفق اختبار CLIC 3 (CTF3).
حلقة البروتون منخفضة الطاقة (LEAR) ، التي تم إطلاقها في عام 1982 ، والتي جمعت أول قطعة من المادة المضادة الحقيقية ، في عام 1995 ، وتتكون من تسع ذرات من الهيدروجين المضاد. تم إغلاقه في عام 1996 ، وحل محله مبطئ البروتون المضاد. تم إعادة تكوين جهاز LEAR نفسه في معزز أيون منخفض الطاقة (LEIR).
مرفق اختبار المصادم الخطي المضغوط 3 (CTF3) ، الذي درس جدوى مشروع المصادم الخطي الموصّل الطبيعي المستقبلي (مصادم CLIC). في العملية 2001-2016. تم تحويل أحد خطوط الأشعة الخاصة بها ، من عام 2017 فصاعدًا ، إلى منشأة CERN Linear Electron Accelerator الجديدة للأبحاث (CLEAR).

المسرعات المستقبلية المحتملة
تدرس CERN ، بالتعاون مع مجموعات في جميع أنحاء العالم ، مفهومين رئيسيين للمسرعات المستقبلية: مصادم إلكترون-بوزيترون خطي بمفهوم تسريع جديد لزيادة الطاقة (CLIC) ونسخة أكبر من LHC ، وهو مشروع يسمى حاليًا مصادم المستقبل الدائري. .

المنشآت
لا تشغل CERN مسرع جسيمات واحد لدراسة بنية المادة ، ولكن سلسلة كاملة من الآلات الأخرى (تسمى أحيانًا الحقن). يتم تسريع الجسيمات التي تمر عبرها بشكل متتابع ، مما يمنح الجسيمات المزيد والمزيد من الطاقة. يتضمن هذا المجمع حاليًا العديد من المسرعات الخطية والدائرية.

المباني التي يتكون منها المجمع العلمي مرقمة بدون أي منطق ظاهر. على سبيل المثال ، المبنى 73 محصور بين المبنيين 238 و 119. تعدد اللغات والجنسيات (أكثر من 80) داخل CERN ألهم بشكل جزئي سيدريك كلابيش في إنشاء فيلم L’Auberge Espagnol.

سلسلة من مسرعات الجسيمات حول LHC
أقوى تركيب في CERN هو مصادم الهادرون الكبير (LHC) ، والذي تم تشغيله في 10 سبتمبر 2008 (مخطط مبدئيًا في نوفمبر 2007). يقع المصادم LHC في نهاية سلسلة المعجل. في حالة تسارع البروتونات ، فإنها تتخذ المسار التالي:

كل شيء يبدأ بمصدر للبروتونات يسمى “duoplasmatron”. تستخدم هذه الآلة ، بحجم علبة القصدير ، الهيدروجين لإنتاج البروتونات بطاقة أولية تبلغ 100 كيلو إلكترون فولت (تتكون نواة الهيدروجين العادي من بروتون واحد). يتم حقن هذا الغاز ، القادم من زجاجة ، بمعدل متحكم به في حجرة المصدر ، حيث يتم تأينه لاستخراج الإلكترون المفرد من كل ذرة. يتم بعد ذلك إخراج البروتونات الناتجة عن طريق مجال كهربائي إلى الخطوة التالية.

مسرع البروتون الخطي Linac-2 ، الذي تم تشغيله في عام 1978. يشكل (جنبًا إلى جنب مع مصدر البروتون) الحلقة الأولى في السلسلة ، وهو التثبيت الأكثر استخدامًا في CERN ؛ يتراوح معدل توفرها من 98 إلى 99٪ ومن المقرر إيقاف تشغيله في حوالي عام 2017 عندما يتم استبداله بـ Linac-4. يقوم Linac-2 بتسريع البروتونات إلى ثلث سرعة الضوء ، مما ينتج عنه طاقة قدرها 50 ميغا إلكترون فولت بواسطة الجسيم.

عند مخرج Linac-2 ، يتم حقن البروتونات في PS-Booster. إنه سنكروترون صغير محيطه 157 مترًا والذي يصل الطاقة إلى 1.4 جيجا إلكترون فولت لكل بروتون ، وهو ما يعادل 91.6٪ من سرعة الضوء. ثم يتم حقن البروتونات في PS.

PS أو Proton Synchrotron ، بمحيط يبلغ 628 مترًا ، ومجهز بـ 277 مغناطيسًا كهربائيًا بما في ذلك 100 ثنائيات أقطاب تستخدم لثني حزمة الجسيمات. إنها واحدة من أقدم المعدات في CERN ، حيث تم تشغيلها في نوفمبر 1959 ، ولكنها خضعت لعدة تعديلات منذ ذلك الحين. تستخدم هذه الآلة حاليًا لتسريع البروتونات وأيضًا لتسريع الأيونات. خلال مسيرته المهنية ، عمل أيضًا كمسرّع للبروتونات المضادة والإلكترونات والبوزيترونات (الإلكترونات المضادة). فهو يزيد طاقة البروتونات حتى 25 جيجا إلكترون فولت ، مما يسرعها إلى 99.9٪ من سرعة الضوء. من هذه الخطوة ، لم تعد الزيادة في السرعة مهمة لأننا نقترب من الضوء الذي يشكل ، وفقًا لنظرية النسبية ، حدًا لا يمكن التغلب عليه. إن الزيادة في طاقة الجسيمات هي الآن بشكل أساسي نتيجة لزيادة كتلتها.

Super Proton Synchrotron (SPS) ، الذي يبلغ محيطه 7 كيلومترات ، مجهز بـ 1317 مغناطيسًا كهربائيًا بما في ذلك 744 ثنائيات أقطاب. إنها تدفع البروتونات إلى 450 جيجا إلكترون فولت. تم تشغيله في عام 1976 كمسرع بسيط ، تم تحويل البروتون المضاد للبروتون في عام 1983 ، قبل أن يصبح سلسلة حاقن جديدة من 1989 إلى LEP ، ثم ليحل محله ، LHC. مثل PS ، قام SPS بتسريع الجسيمات المختلفة خلال مسيرته المهنية (البروتونات ، البروتونات المضادة ، الأيونات ذات الكتلة الأكبر أو الأقل ، الإلكترونات ، البوزيترونات). منذ بداية المصادم LHC ، يعمل SPS فقط مع أيونات البروتونات.

وأخيرًا المصادم LHC أو مصادم الهادرونات الكبير (مصادم هادرون كبير ، بالفرنسية) ، بمحيط 26.659 كم ، باستخدام الموصلات الفائقة ، وحيث يمكن أن تصل البروتونات إلى 7 تيرا إلكترون فولت (أي أن مستوى الطاقة لكل جسيم أكبر 70 مليون مرة من ذلك الناتج عن مصدر duoplasmatron).

كجزء من تجربة ALICE ، يقوم LHC أيضًا بتسريع أيونات الرصاص ، وبالنسبة للأخير فإن المسار مختلف قليلاً: ينتج عن طريق “مصدر ECR” من الرصاص المتبخر ثم المتأين ، تخضع أيونات الرصاص لتسريعها الأول في Linac-3 الخطي المسرع ، ثم يمرون عبر LEIR (حلقة أيون منخفضة الطاقة). عندها فقط تتبع الأيونات نفس المسار الذي تتبعه البروتونات ، عبر PS و SPS و LHC (لذلك يحل مصدر ECR و Linac-3 و LEIR محل duoplasmatron و Linac-2 و “Booster” على التوالي). مع تسارعها ، يتم تجريد هذه الأيونات من إلكتروناتها على عدة مراحل ، حتى يصبح كل ما تبقى هو نوى ذرية “عارية” يمكن أن تصل إلى طاقة 574 تيرا إلكترون فولت لكل منها (أي 2 ، 76 تيرا إلكترون فولت لكل نواة).

تحتوي كل منشأة CERN على قاعة تجريبية واحدة أو أكثر متاحة للتجارب. هذه هي الطريقة التي يمكن بها توجيه البروتونات المُسرعة الخاصة بـ Booster و PS و SPS إما إلى المسرع التالي في السلسلة ، أو إلى مناطق تجريبية ، وغالبًا مع هدف ثابت (تصادم بين الحزم والهدف من أجل إنتاج جزيئات جديدة).

مرافق وتجارب أخرى في CERN
على الرغم من أن LHC حاليًا هو أكبر منشأة وأكثرها شهرة ، إلا أن هناك معدات وأعمال بحثية أخرى موجودة في CERN.

AD ، مبطئ البروتون المضاد
مبطئ البروتون المضاد (en) هو جهاز مخصص لإنتاج البروتونات المضادة منخفضة الطاقة. في الواقع ، أثناء إنشائها (من خلال تأثير البروتونات ، القادمة من PS ، على هدف معدني) عادةً ما يكون للبروتونات المضادة سرعة عالية جدًا بحيث لا يمكن استغلالها أثناء تجارب معينة ، علاوة على أن مساراتها وطاقاتها متباينة. تم بناء مبطئ البروتون المضاد لاستعادة هذه الجسيمات والتحكم فيها وإبطائها في النهاية إلى حوالي 10٪ من سرعة الضوء. لهذا ، فإنه يستخدم مغناطيس كهربائي ومجالات كهربائية قوية. بمجرد “الترويض” ، يمكن استخدام هذه البروتونات المضادة في تجارب أخرى:

ACE (تجربة خلايا البروتون المضادة): تجربة تدرس فعالية البروتونات المضادة لمحاربة السرطان ، عن طريق حقن شعاع من هذه الجسيمات في الخلايا الحية في المختبر. الطاقة المنبعثة ، من خلال الفناء بين البروتونات المضادة المحقونة وبروتونات نواة الذرة ، سوف تدمر الخلايا. الهدف هو أن تكون قادرًا على تدمير الأورام السرطانية عن طريق إسقاط البروتونات المضادة داخلها ، وهي طريقة ستكون أكثر فائدة من العلاجات الأخرى بحزم الجسيمات لأنها أقل ضررًا للأنسجة السليمة. النتائج الأولى واعدة ، لكن التطبيقات الطبية غير متوقعة لمدة عشر سنوات تقريبًا.

ALPHA و ATRAP: الهدف من هذه التجارب هو دراسة الاختلافات في الخصائص بين المادة والمادة المضادة. للقيام بذلك ، يتم تكوين ذرات الهيدروجين المضاد (المكونة من البروتون المضاد والبوزيترون) ثم تتم مقارنة خصائصها بخصائص ذرات الهيدروجين العادية.

ASACUSA: هذه التجربة لها نفس هدف التجربة السابقة ، ولكن بطريقة مختلفة. بدلاً من استخدام ذرات الهيدروجين المضاد ، سينتج الفيزيائيون في ASACUSA تكوينات أكثر غرابة ، مثل الهليوم المضاد للبروتين ، أي ذرات الهيليوم التي تم استبدال أحد الإلكترونات بها. بواسطة البروتون المضاد! (تذكير: يحتوي البروتون المضاد على شحنة كهربائية سالبة ، مثل الإلكترون). وتتمثل ميزة هذه التكوينات في أنها أسهل في الإنتاج ولها عمر أطول من الهيدروجين المضاد.

AEgIS: تجربة هدفها الرئيسي التحقق مما إذا كانت تأثيرات الجاذبية على المادة المضادة مماثلة (أم لا) لتلك التي تمارس على المادة. تم أخذ العديد من الفرضيات في الاعتبار ، بما في ذلك احتمال انعكاس تأثير الجاذبية بالنسبة للمادة المضادة.

المصبوب
تلسكوب تلسكوب أولار تي (تلسكوب للمحاور الشمسية سيرن). أداة لاكتشاف المحاور الافتراضية من الشمس.

الأكسيونات هي جسيمات يُشتبه في كونها جزءًا من المادة المظلمة ، والتي من شأنها أيضًا أن تفسر أصل الفروق الصغيرة التي لوحظت بين المادة والمادة المضادة ، ومن ثم الاهتمام بالبحث عن وجودها. مبدأ تشغيل CAST هو وضع مجال مغناطيسي قوي في مسار هذه الجسيمات ، داخل أنابيب مفرغة موجهة بشكل صحيح ، والتي يجب أن يكون لها تأثير تحويلها إلى أشعة سينية عند عبورها. إن إشعاع الأشعة السينية هذا ، الذي يمكن اكتشافه بسهولة أكبر من المحاور نفسها ، هو المقصود بالتسجيل. إذا كانت الأكسيونات موجودة ، فمن المحتمل أنها موجودة في مركز نجمنا ، ولهذا السبب فإن CAST هو تلسكوب موجه في اتجاه الشمس بفضل منصة متحركة.

لاحظ أن هذه التجربة تعيد استخدام عدد معين من المكونات الموجودة بالفعل: نموذج أولي لمغناطيس ثنائي القطب فائق التوصيل والذي تم استخدامه لتصميم LHC ، وهو جهاز تبريد مبرد تم استخدامه في تجربة DELPHI لمصادم الإلكترون والبوزيترون الكبير (LEP ) ، ونظام تركيز بالأشعة السينية من برنامج فضائي. الجمع بين تقنيات علم الفلك وفيزياء الجسيمات ، CAST هي أيضًا التجربة الوحيدة التي لا تستخدم شعاعًا تنتجه المسرعات ، ولكنها مع ذلك تستفيد من المهارات التي اكتسبتها CERN.

غيم
C osmics L الطنف أو tdoor D roplets (الأشعة الكونية التي تنتج قطرات خارجية)

تم التخطيط لـ CLOUD (in) للتحقيق الكامل في التأثير المحتمل للأشعة الكونية على تكوين السحب. في الواقع ، ستكون هذه الجسيمات المشحونة القادمة من الفضاء قادرة على إنتاج رذاذ جديد يؤثر على سمك الغطاء السحابي. تسمح لنا قياسات الأقمار الصناعية بالشك في وجود علاقة بين سماكة السحب وكثافة الأشعة الكونية. ومع ذلك ، يمكن أن يكون للاختلافات بنسبة قليلة في الغطاء السحابي تأثير واضح على المناخ والتوازن الحراري لكوكبنا.

سيتألف CLOUD ، الذي لا يزال في المرحلة التحضيرية مع كاشف نموذج أولي ، من غرفة ضباب و “غرفة تفاعل” يمكن فيها إعادة تكوين ظروف الضغط ودرجة الحرارة لأي منطقة من الغلاف الجوي ، والتي ستتعرض لتدفق الجسيمات التي تنتجها PS التي تحاكي الأشعة الكونية. ستقوم أجهزة متعددة بمراقبة وتحليل محتويات هذه الغرف. هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها استخدام مسرع الجسيمات لدراسة الغلاف الجوي والمناخ. هذه التجربة يمكن أن “تغير بشكل كبير فهمنا للسحب والمناخ”.

بوصلة
CO mmon M uon و P roton A pparatus لـ S tructure و S. pectroscopy

تتكون هذه التجربة متعددة الاستخدامات من استكشاف بنية الهادرونات (التي يتكون منها البروتون والنيوترون ، مكونات المادة التي صنعناها) ، وبالتالي فإن الروابط بين الغلوونات والكواركات التي تتكون منها هي جزء منها. لهذا يستخدم البروتونات المتسارعة بواسطة SPS. الأهداف المختلفة من بين أمور أخرى:

دراسة أصل دوران النيوكليون ، ولا سيما الدور الذي تلعبه الغلوونات. للقيام بذلك ، يتم إنشاء الميونات (جسيمات غير مستقرة ، يمكن مقارنتها بالإلكترون ولكنها أكثر كتلة) والتي يتم إسقاطها على “هدف مستقطب” ؛

الكشف عن كرات الصمغ ، الجسيمات الافتراضية المكونة فقط من الغلوونات ؛

تحديد التسلسل الهرمي لأنواع الهادرونات المختلفة ، من خلال إنشاء ثم استخدام حزمة بيون.

CTF3
C LIC T هو F acility 3. موقع اختبار تستعد فيه CERN بالفعل بعد LHC ، كجزء من مشروع المصادم الخطي المضغوط (CLIC).

الهدف هو تطوير مسرع من الجيل التالي ، CLIC ، والذي سيجعل من الممكن تعميق الاكتشافات التي حققها LHC ، ولكن بتكلفة وأبعاد تركيب ستظل معقولة نسبيًا. الهدف هو الحصول على طاقة مماثلة لتلك التي تم الحصول عليها في LHC ، ولكن هذه المرة مع تصادم الإلكترون / البوزيترون (بدلاً من اصطدام البروتونات / البروتونات) ، مما سيفتح آفاقًا جديدة.

يعتمد مبدأ تشغيل CLIC المستقبلي على نظام ثنائي الشعاع ، والذي من شأنه أن يجعل من الممكن إنتاج حقول تسريع أعلى من المسرعات السابقة ، أي بترتيب 100 إلى 150 MV / m. سيتم تسريع الحزمة الرئيسية بواسطة طاقة التردد الراديوي ، والتي سيتم إنتاجها بواسطة حزمة متوازية من الإلكترونات بطاقة أقل ولكن بكثافة عالية. إن إبطاء “شعاع القيادة” هذا هو الذي سيوفر الطاقة المستخدمة لتسريع الحزمة الرئيسية. يمكننا مقارنة هذا المبدأ بالمحول الكهربائي الذي ينتج تيارًا كهربائيًا عالي الجهد من تيار جهد منخفض ، ولكن على حساب انخفاض في الشدة.

ديراك
DI meson R elativistic A tomic C omplex (المركب الذري النسبي للدي ميزونات). تهدف هذه التجربة إلى فهم أفضل للتفاعل القوي الذي يربط الكوارك ببعضه البعض ، وبالتالي يشكل الأدرونات. بتعبير أدق ، يتعلق الأمر باختبار سلوك هذه القوة على مسافات “كبيرة” وبطاقة منخفضة.

لهذا الغرض ، يدرس DIRAC اضمحلال الذرات البايونية (أو البيونيوم ، أي التجميعات غير المستقرة للبيونات الموجبة والسالبة) ، أو الذرات “” (تتكون كل منها من بيون وكاون من الشحنات المعاكسة ، وغير مستقرة أيضًا) . يُقاس عمر هذه التجمعات الغريبة ، الناتجة عن حزمة البروتون في PS ، “إلى مستوى من الدقة لم يتم الوصول إليه من قبل”.

ISOLDE
I sotope Separator O n L ine OF tector (فاصل النظائر على الخط (in))

يُطلق على ISOLDE اسم “مصنع المواد الكيميائية” ، وهي منشأة تسمح بإنتاج ودراسة عدد كبير من النظائر غير المستقرة ، والتي يبلغ نصف عمر بعضها بضعة أجزاء من الثانية فقط. يتم إنتاج هذه النظائر عن طريق تأثير البروتونات ، القادمة من حاقن PS ، على أهداف ذات تركيبات مختلفة (من الهيليوم إلى الراديوم). يتم فصلها بالكتلة ، ثم يتم تسريعها بحيث يمكن دراستها بعد ذلك. تستخدم العديد من هذه التجارب كاشف أشعة جاما يسمى “Miniball”.

تسعى ISOLDE إلى استكشاف بنية النواة الذرية بشكل أساسي ، ولكن لها أيضًا أهدافًا أخرى في علم الأحياء والفيزياء الفلكية ومجالات الفيزياء الأخرى (الذرة ، الحالة الصلبة ، الفيزياء الأساسية).

لاحظ فريق ISOLDE تأثيرًا حراريًا غير طبيعي (AHE) أثناء تجربة التحليل الكهربائي باستخدام قطب البلاديوم ، المعروف منذ عام 1989 ، وفضحه خلال ندوة.

n_TOF
“مصنع النيوترون”. باستخدام البروتونات من PS ، يهدف هذا الجهاز إلى إنتاج نيوترونات ذات تدفقات عالية الكثافة ومجموعة واسعة من الطاقات. يسمح ما يسمى بتركيب “زمن الطيران النيوتروني” بدراسة دقيقة للعمليات التي تشارك فيها هذه الجسيمات. النتائج التي تم الحصول عليها تهم العديد من المشاريع البحثية حيث تلعب تدفقات النيوترونات دورًا: الفيزياء الفلكية النووية (خاصة فيما يتعلق بالتطور النجمي والمستعرات الأعظمية) ؛ تدمير النفايات المشعة. أو علاج الأورام بواسطة حزم الجسيمات.

المسرعات مفككة
منذ افتتاحها ، استخدمت المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN) العديد من المسرعات ، تم تفكيك بعضها لاستيعاب البعض الآخر الأكثر كفاءة أو الأكثر ملاءمة للبحث الحالي. هذه المسرعات هي:

Linac1 ، أول معجل خطي لـ CERN ، تم تشغيله في عام 1959 وحل محله Linac3 في عام 1993 ؛

a 600 MeV synchrocyclotron (SC) ، والذي كان في الخدمة من 1957 إلى 1991. كان يحتوي على مغناطيس كهربائي يتكون من ملفين قطرهما 7.2 متر ويزن كل منهما 60 طنًا ؛

CESAR ، “حلقة تخزين وتراكم الإلكترون” ، اكتملت في عام 1963 وتم تفكيكها في عام 1968. كان تشغيل برنامج CESAR صعبًا ، ولكنه جعل من الممكن اكتساب المعرفة المفيدة لتطوير مصادمات CERN المستقبلية ؛

حلقات التخزين المتقاطعة (ISR) ، التي تم بناؤها من عام 1966 إلى عام 1971 وظلت في الخدمة حتى عام 1984. كانت أول مصادم بروتون ، والذي كان أيضًا أول معجل للجسيمات يستخدم مغناطيسات فائقة التوصيل (من نوفمبر 1980) ، ثم أول من ينتج تصادمات بين البروتونات والبروتونات المضادة (في أبريل 1981) ؛

البوزيترون الكبير للإلكترون (LEP) ، في الخدمة من 1989 إلى 2000 ليحل محله المصادم LHC. كان LEP في يومه أكبر معجل لـ CERN ، يصطدم بالإلكترونات والبوزيترونات ؛

حلقة البروتون منخفضة الطاقة (LEAR) ، التي تم تشغيلها في عام 1982 ، والتي سمحت بتجميع أول ذرات من المادة المضادة في عام 1995. تم إغلاقها في عام 1996 ليتم تحويلها إلى LEIR (حلقة أيون منخفضة الطاقة) تهدف إلى إمداد LHC بـ الأيونات الثقيلة.

تم تفكيك التجارب

CNGS
ركض C ern N eutrinos إلى G S asso (النيوترينوات من CERN إلى Gran Sasso).

يتكون هذا التركيب من إنتاج شعاع من النيوترينوات يتم توجيهه إلى مختبر يقع في إيطاليا على بعد 732 كيلومترًا. للقيام بذلك ، يتم إرسال البروتونات التي يتم تسريعها بواسطة SPS إلى هدف الجرافيت. تنتج الاصطدامات الناتجة جسيمات غير مستقرة تسمى البيونات والكاونات ، والتي تتركز ، بواسطة جهاز مغناطيسي ، في نفق فراغ بطول كيلومتر حيث تتحلل. ولدت هذه التحلل بدورها الميونات والنيوترينوات قبل كل شيء. يمتص الدرع ثم الصخر الذي يقع خلف نهاية النفق جميع الجسيمات (الميونات ، والبيونات والكاونات غير المتحللة ، أو البروتونات التي مرت عبر الهدف) بخلاف النيوترينوات ، التي هي الوحيدة التي تواصل طريقها. يتم توجيه التجميع بحيث يتم توجيه شعاع النيوترينو الناتج إلى مختبر إيطالي يقع في جران ساسو ،

الهدف من كل هذا هو دراسة ظاهرة تذبذب النيوترينوات: في الواقع ، هناك ثلاثة أنواع (تسمى النكهات) من النيوترينوات ، ومن المقبول الآن أن هذه الجسيمات “تتأرجح” بين هذه النكهات الثلاث ، وتتحول من واحدة إلى أخرى. آخر. يسمح CNGS بدراسة هذه التذبذبات لأن النيوترينوات المنتجة لها نكهة ميونية فقط ، بينما على مستوى Gran Sasso ، وبعد رحلة طولها 732 كيلومترًا داخل الأرض ، سيتحول بعضها إلى أخرى. النكهات التي يمكن تسجيلها. انبعثت أشعة النيوترينو الأولى في صيف عام 2006. نظرًا لانخفاض تفاعل النيوترينوات وندرة تذبذباتها ، سيكون من الضروري إجراء سنوات من التجارب وجمع البيانات. في مايو 2010 ، تمت ملاحظة أول حدث يقابل تذبذب أحد النيوترينوات التي تنتجها CNGS. تم إغلاق هذا المرفق في ديسمبر 2012 بعد ست سنوات من الخدمة. سيتم الآن استخدام أنفاق CERN المستخدمة في CNGS لاستضافة تجربة AWAKE (Advanced WAKefield Experiment) المزودة بالبروتونات من قبل SPS ، ويجب أن تبدأ العمل في نهاية عام 2016.

حماية البيئة في CERN
يتم تنفيذ المراقبة البيئية في CERN من جانب وحدة HSE (الصحة والسلامة وحماية البيئة) ومن ناحية أخرى من قبل هيئتين خارجيتين: المكتب الفيدرالي للصحة العامة (سويسرا) و ‘معهد الحماية من الإشعاع و الأمان النووي (فرنسا). أطلق FOPH برنامج مراقبة نقطة الصفر CERN والذي يهدف إلى الحصول على نقطة مرجعية للوضع الإشعاعي حول CERN قبل تشغيل مصادم الهادرونات الكبير.