Europäische Organisation für Kernforschung, Grenze Frankreich-Schweiz

Die Europäische Organisation für Kernforschung, auch Europäisches Labor für Teilchenphysik genannt und allgemein bekannt unter dem Akronym CERN oder Cern (nach dem Namen des Europäischen Rates für Kernforschung, einer vorläufigen Einrichtung, die 1952 gegründet wurde), ist das größte Teilchen Physikzentrum der Welt. Es liegt wenige Kilometer von Genf entfernt an der französisch-schweizerischen Grenze in den Gemeinden Meyrin, Prévessin-Moëns und Saint-Genis-Pouilly.

Das CERN möchte besser verstehen, woraus das Universum besteht und wie es funktioniert. Zu diesem Zweck bietet das CERN Wissenschaftlern ein weltweit einzigartiges Komplex von Teilchenbeschleunigern, mit denen sie die Grenzen des menschlichen Wissens erweitern können. Das 1954 gegründete Labor ist zu einem bemerkenswerten Beispiel für internationale Zusammenarbeit geworden. Unsere Mission ist es: einen einzigartigen Komplex von Teilchenbeschleunigern bereitzustellen, der Forschung auf dem neuesten Stand des menschlichen Wissens ermöglicht; Spitzenforschung in der Grundlagenphysik betreiben; Menschen aus der ganzen Welt zusammenbringen, um die Grenzen von Wissenschaft und Technologie zum Nutzen aller zu erweitern.

Das 1954 gegründete CERN hat seinen Sitz in einem nordwestlichen Vorort von Genf an der französisch-schweizerischen Grenze und 23 Mitgliedstaaten. Israel ist das einzige außereuropäische Land, dem die Vollmitgliedschaft gewährt wurde. Das CERN ist offizieller Beobachter der Vereinten Nationen. Das Akronym CERN wird auch für das Labor verwendet, das 2016 2.500 wissenschaftliche, technische und administrative Mitarbeiter hatte und etwa 12.000 Benutzer beherbergte.

Die Hauptfunktion des CERN besteht darin, die Teilchenbeschleuniger und andere Infrastrukturen bereitzustellen, die für die Forschung im Bereich der Hochenergiephysik erforderlich sind. Infolgedessen wurden am CERN in internationalen Kooperationen zahlreiche Experimente durchgeführt. Der Hauptstandort in Meyrin beherbergt eine große Computereinrichtung, in der hauptsächlich Daten aus Experimenten gespeichert und analysiert sowie Ereignisse simuliert werden. Forscher benötigen Fernzugriff auf diese Einrichtungen, daher war das Labor in der Vergangenheit ein wichtiger Weitverkehrsnetzwerkknoten. Das CERN ist auch der Geburtsort des World Wide Web.

Geschichte
Das Übereinkommen zur Gründung des CERN wurde am 29. September 1954 von 12 westeuropäischen Ländern ratifiziert. Das Akronym CERN stand ursprünglich für die französischen Wörter für Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (Europäischer Rat für Kernforschung), ein vorläufiger Rat für den Bau des Labors, der 1952 von 12 europäischen Regierungen eingerichtet wurde. Das Akronym wurde danach für das neue Labor beibehalten Der vorläufige Rat wurde aufgelöst, obwohl der Name 1954 in die derzeitige Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire (Europäische Organisation für Kernforschung) geändert wurde. Laut Lew Kowarski, einem ehemaligen Direktor des CERN, konnte die Abkürzung bei Änderung des Namens geändert werden sind die unangenehmen OERN geworden, und Werner Heisenberg sagte, dass dies “immer noch CERN sein könnte, selbst wenn der Name ist”.

Der erste Präsident des CERN war Sir Benjamin Lockspeiser. Edoardo Amaldi war der Generalsekretär des CERN in seinen frühen Stadien, als die Operationen noch vorläufig waren, während der erste Generaldirektor (1954) Felix Bloch war.

Das Labor war ursprünglich der Untersuchung von Atomkernen gewidmet, wurde jedoch bald auf die Physik höherer Energie angewendet, die sich hauptsächlich mit der Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen subatomaren Teilchen befasste. Daher wird das vom CERN betriebene Labor allgemein als europäisches Labor für Teilchenphysik (Laboratoire européen pour la physique des Partikels) bezeichnet, das die dort durchgeführten Forschungsarbeiten besser beschreibt.

Gründungsmitglieder
Auf der sechsten Tagung des CERN-Rates, die vom 29. Juni bis 1. Juli 1953 in Paris stattfand, wurde das Übereinkommen zur Gründung der Organisation vorbehaltlich der Ratifizierung von 12 Staaten unterzeichnet. Das Übereinkommen wurde schrittweise von den 12 Gründungsmitgliedstaaten ratifiziert: Belgien, Dänemark, Frankreich, der Bundesrepublik Deutschland, Griechenland, Italien, den Niederlanden, Norwegen, Schweden, der Schweiz, dem Vereinigten Königreich und Jugoslawien.

Entdeckungen
1983 wird die elektroschwache Theorie fast vollständig bestätigt, die schwachen und elektromagnetischen Kräfte sind nahezu vereint. In diesem Jahr, dem 13. September, beginnt auch die erste Arbeit von LEP. 1984 erhielten Carlo Rubbia und Simon van der Meer im Oktober den Nobelpreis für Physik für ihre Entdeckung der elektroschwachen Kraft. Nach der Einführung von LEP im Jahr 1989 bestätigten die Vorhersagen der Theorie über die elektroschwache Kraft, insbesondere die Existenz geladener Teilchen (W-Bosonen), deren Masse etwa das 80-fache der des Protons beträgt, sowie eines neutralen Teilchens (des Z-Bosons) ) deren Masse ungefähr das 91-fache der des Protons beträgt.

Zwischen 1989 und 1990 entwarf und entwickelte Tim Berners-Lee zusammen mit Robert Cailliau ein Hypertext-Informationssystem, das World Wide Web.

1992 erhielt Georges Charpak den Nobelpreis für Physik für Arbeiten am CERN im Jahr 1968 (Entwicklung der Proportionalkammer mit mehreren Drähten).

Am 18. November 2010 gaben Forscher bekannt, dass es ihnen erstmals gelungen ist, Antiwasserstoffatome in einem Magnetfeld einzufangen.

Am 4. Juli 2012 wird ein neues Teilchen identifiziert, dessen Eigenschaften mit denen des Higgs-Bosons kompatibel zu sein scheinen, wie in der Theorie beschrieben. Zusätzliche Ergebnisse dieses 2013 durchgeführten Experiments bestätigten, dass es sich bei diesem neuen Elementarteilchen um ein Higgs-Boson handelt, dessen Eigenschaften bislang mit den vom Standardmodell beschriebenen Eigenschaften kompatibel sind. Der Nobelpreis für Physik wurde 2013 an die theoretischen Physiker François Englert und Peter Higgs für ihre theoretischen Arbeiten zu diesem Teilchen verliehen, die seine Existenz ab den 1960er Jahren vorhersagen.

Wissenschaftliche Errungenschaften
Mehrere wichtige Erfolge in der Teilchenphysik wurden durch Experimente am CERN erzielt. Sie beinhalten:

1973: Die Entdeckung neutraler Ströme in der Gargamelle-Blasenkammer;
1983: Die Entdeckung von W- und Z-Bosonen in den UA1- und UA2-Experimenten;
1989: Bestimmung der Anzahl der leichten Neutrinofamilien am Large Electron-Positron Collider (LEP) am Z-Boson-Peak;
1995: Die erste Erzeugung von Antiwasserstoffatomen im PS210-Experiment;
1999: Die Entdeckung einer direkten CP-Verletzung im NA48-Experiment;
2010: Die Isolierung von 38 Antiwasserstoffatomen;
2011: Aufrechterhaltung von Antiwasserstoff über 15 Minuten;
2012: Ein Boson mit einer Masse um 125 GeV / c2 im Einklang mit dem lang ersehnten Higgs-Boson.
Im September 2011 erregte das CERN die Aufmerksamkeit der Medien, als die OPERA Collaboration über den Nachweis von Neutrinos berichtete, die möglicherweise schneller als Licht sind. Weitere Tests zeigten, dass die Ergebnisse aufgrund eines falsch angeschlossenen GPS-Synchronisationskabels fehlerhaft waren.

Der Nobelpreis für Physik 1984 wurde an Carlo Rubbia und Simon van der Meer für die Entwicklungen verliehen, die zu den Entdeckungen der W- und Z-Bosonen führten. Der Nobelpreis für Physik von 1992 wurde an den CERN-Mitarbeiterforscher Georges Charpak “für seine Erfindung und Entwicklung von Teilchendetektoren, insbesondere der Mehrdraht-Proportionalkammer” verliehen. Der Nobelpreis für Physik 2013 wurde an François Englert und Peter Higgs für die theoretische Beschreibung des Higgs-Mechanismus im Jahr nach der Entdeckung des Higgs-Bosons durch CERN-Experimente verliehen.

Computerwissenschaften
Das World Wide Web begann als CERN-Projekt namens INQUIRE, das 1989 von Tim Berners-Lee und 1990 von Robert Cailliau initiiert wurde. Berners-Lee und Cailliau wurden 1995 von der Association for Computing Machinery gemeinsam für ihre Beiträge zur Entwicklung des Weltweites Netz.

Basierend auf dem Konzept des Hypertexts sollte das Projekt den Informationsaustausch zwischen Forschern erleichtern. Die erste Website wurde 1991 aktiviert. Am 30. April 1993 gab das CERN bekannt, dass das World Wide Web für jedermann kostenlos sein werde. Eine Kopie der ursprünglichen ersten Webseite, die von Berners-Lee erstellt wurde, wird weiterhin als historisches Dokument auf der Website des World Wide Web Consortium veröffentlicht.

Vor der Entwicklung des Web hatte das CERN Anfang der 1980er Jahre Pionierarbeit bei der Einführung der Internet-Technologie geleistet.

In jüngerer Zeit wurde das CERN zu einer Einrichtung für die Entwicklung von Grid-Computing, in der Projekte wie Enabling Grids for E-Science (EGEE) und LHC Computing Grid gehostet werden. Hier befindet sich auch der CERN Internet Exchange Point (CIXP), einer der beiden wichtigsten Internet Exchange Points in der Schweiz.

Teilchenbeschleuniger

Aktueller Komplex
Das CERN betreibt ein Netzwerk aus sechs Beschleunigern und einem Verzögerer. Jede Maschine in der Kette erhöht die Energie der Teilchenstrahlen, bevor sie an Experimente oder an den nächststärkeren Beschleuniger abgegeben werden. Derzeit (ab 2019) sind aktive Maschinen:

Der Linearbeschleuniger LINAC 3 erzeugt energiearme Partikel. Es liefert schwere Ionen mit 4,2 MeV / u zur Injektion in den Niedrigenergie-Ionenring (LEIR).
Der Protonensynchrotron-Booster erhöht die Energie der vom Protonen-Linearbeschleuniger erzeugten Teilchen, bevor sie auf die anderen Beschleuniger übertragen werden.
Der Niedrigenergie-Ionenring (LEIR) beschleunigt die Ionen des Ionenlinearbeschleunigers LINAC 3, bevor sie auf das Protonensynchrotron (PS) übertragen werden. Dieser Beschleuniger wurde 2005 in Betrieb genommen, nachdem er vom vorherigen Low Energy Antiproton Ring (LEAR) neu konfiguriert wurde.
Das 28 GeV Proton Synchrotron (PS), das zwischen 1954 und 1959 gebaut wurde und immer noch als Feeder für die leistungsstärkere SPS fungiert.
Das Super Proton Synchrotron (SPS), ein Kreisbeschleuniger mit einem Durchmesser von 2 Kilometern, der in einem Tunnel gebaut wurde und 1976 in Betrieb genommen wurde. Es wurde für eine Energie von 300 GeV ausgelegt und schrittweise auf 450 GeV aufgerüstet. Es verfügt nicht nur über eigene Strahllinien für Experimente mit festen Zielen (derzeit COMPASS und NA62), sondern wurde auch als Proton-Antiproton-Kollider (SppS-Kollider) und zur Beschleunigung energiereicher Elektronen und Positronen betrieben, die in das Großelektron injiziert wurden –Positron Collider (LEP). Seit 2008 werden damit Protonen und Schwerionen in den Large Hadron Collider (LHC) injiziert.
Der Online-Isotopen-Massentrenner (ISOLDE), mit dem instabile Kerne untersucht werden. Die radioaktiven Ionen werden durch den Aufprall von Protonen mit einer Energie von 1,0–1,4 GeV vom Proton Synchrotron Booster erzeugt. Es wurde erstmals 1967 in Betrieb genommen und 1974 und 1992 mit größeren Verbesserungen wieder aufgebaut.
Der Antiproton Decelerator (AD), der die Geschwindigkeit von Antiprotonen für die Erforschung von Antimaterie auf etwa 10% der Lichtgeschwindigkeit reduziert.
Das AWAKE-Experiment, ein Proof-of-Principle-Plasma-Wakefield-Beschleuniger.
Die Forschungs- und Entwicklungseinrichtung für CLEAR-Beschleuniger (Linear Electron Accelerator for Research) des CERN.

Large Hadron Collider
Viele Aktivitäten am CERN umfassen derzeit den Betrieb des Large Hadron Collider (LHC) und die Experimente dafür. Der LHC ist ein großes wissenschaftliches Kooperationsprojekt weltweit.

Der LHC-Tunnel befindet sich 100 Meter unter der Erde in der Region zwischen dem internationalen Flughafen Genf und dem nahe gelegenen Jura. Der größte Teil seiner Länge befindet sich auf der französischen Seite der Grenze. Es nutzt den kreisförmigen Tunnel mit einem Umfang von 27 km, der zuvor vom Large Electron-Positron Collider (LEP) besetzt war, der im November 2000 abgeschaltet wurde. Die vorhandenen PS / SPS-Beschleunigerkomplexe des CERN dienen zur Vorbeschleunigung von Protonen und Bleiionen, die dann injiziert werden in den LHC.

Acht Experimente (CMS, ATLAS, LHCb, MoEDAL, TOTEM, LHCf, FASER und ALICE) befinden sich entlang des Kolliders. Jeder von ihnen untersucht Partikelkollisionen unter einem anderen Aspekt und mit unterschiedlichen Technologien. Die Konstruktion dieser Experimente erforderte einen außerordentlichen technischen Aufwand. Zum Beispiel wurde ein spezieller Kran aus Belgien gemietet, um Teile des CMS-Detektors in seine Höhle abzusenken, da jedes Stück fast 2.000 Tonnen wog. Der erste der rund 5.000 für den Bau erforderlichen Magnete wurde am 7. März 2005 um 13:00 Uhr GMT auf eine Spezialwelle abgesenkt.

Der LHC hat damit begonnen, große Datenmengen zu generieren, die das CERN zur verteilten Verarbeitung an Labors auf der ganzen Welt überträgt (unter Verwendung einer speziellen Netzinfrastruktur, dem LHC Computing Grid). Im April 2005 wurden in einer Studie 600 MB / s erfolgreich an sieben verschiedene Standorte auf der ganzen Welt gestreamt.

Die ersten Partikelstrahlen wurden im August 2008 in den LHC injiziert. Der erste Strahl wurde am 10. September 2008 durch den gesamten LHC zirkuliert, aber das System fiel 10 Tage später aufgrund einer fehlerhaften Magnetverbindung aus und wurde am 19. September 2008 für Reparaturen angehalten .

Der LHC nahm am 20. November 2009 den Betrieb wieder auf, indem zwei Strahlen mit einer Energie von jeweils 3,5 Teraelektronvolt (TeV) erfolgreich zirkuliert wurden. Die Herausforderung für die Ingenieure bestand dann darin, die beiden Balken so auszurichten, dass sie ineinander schlugen. Dies ist wie “zwei Nadeln über den Atlantik abfeuern und sie dazu bringen, sich gegenseitig zu treffen”, so Steve Myers, Direktor für Beschleuniger und Technologie.

Am 30. März 2010 kollidierte der LHC erfolgreich zwei Protonenstrahlen mit 3,5 TeV Energie pro Proton, was zu einer Kollisionsenergie von 7 TeV führte. Dies war jedoch nur der Anfang dessen, was für die erwartete Entdeckung des Higgs-Bosons erforderlich war. Als die Versuchsperiode von 7 TeV endete, stieg der LHC ab März 2012 auf 8 TeV (4 TeV pro Proton) und begann bald mit Partikelkollisionen bei dieser Energie. Im Juli 2012 kündigten CERN-Wissenschaftler die Entdeckung eines neuen subatomaren Teilchens an, das später als Higgs-Boson bestätigt wurde. Im März 2013 gab das CERN bekannt, dass die an dem neu gefundenen Partikel durchgeführten Messungen den Schluss zuließen, dass es sich um ein Higgs-Boson handelt. Anfang 2013 wurde der LHC für einen zweijährigen Wartungszeitraum deaktiviert, um die elektrischen Verbindungen zwischen Magneten im Gaspedal zu stärken und für andere Upgrades.

Am 5. April 2015 wurde der LHC nach zweijähriger Wartung und Konsolidierung für einen zweiten Lauf neu gestartet. Die erste Rampe auf die Rekordenergie von 6,5 TeV wurde am 10. April 2015 durchgeführt. 2016 wurde die Konstruktionskollisionsrate erstmals überschritten. Eine zweite zweijährige Abschaltperiode begann Ende 2018.

Beschleuniger im Bau
Ab Oktober 2019 wird die Leuchtkraft des LHC in einem Projekt namens High Luminosity LHC (HL-LHC) verbessert. In diesem Projekt sollte der LHC-Beschleuniger bis 2026 auf eine um eine Größenordnung höhere Leuchtkraft aufgerüstet werden.

Im Rahmen des HL-LHC-Upgrade-Projekts erhalten auch andere CERN-Beschleuniger und ihre Subsysteme Upgrades. Unter anderem wurde der Linearbeschleuniger-Injektor LINAC 2 außer Betrieb genommen und 2020 durch einen neuen Injektorbeschleuniger, den LINAC 4, ersetzt.

Außer Betrieb genommene Beschleuniger
Der ursprüngliche Linearbeschleuniger LINAC 1. Betrieb 1959–1992.
Der LINAC 2 Linearbeschleuniger-Injektor. Beschleunigte Protonen auf 50 MeV zur Injektion in den Proton Synchrotron Booster (PSB). Betrieb 1978–2018.
Das 600 MeV Synchro-Cyclotron (SC), das 1957 in Betrieb genommen und 1991 stillgelegt wurde, wurde 2012–2013 zu einer öffentlichen Ausstellung.
Die Intersecting Storage Rings (ISR), ein früher Collider, der von 1966 bis 1971 gebaut und bis 1984 betrieben wurde.
Der Large Electron-Positron Collider (LEP), der von 1989 bis 2000 in Betrieb war und die größte Maschine seiner Art war, befand sich in einem 27 km langen Rundtunnel, in dem sich heute der Large Hadron Collider befindet.
Der LEP Pre-Injector (LPI) -Beschleunigerkomplex, bestehend aus zwei Beschleunigern, einem Linearbeschleuniger namens LEP Injector Linac (LIL; selbst bestehend aus zwei aufeinanderfolgenden Linearbeschleunigern namens LIL V und LIL W) und einem Kreisbeschleuniger namens Electron Positronenspeicher (EPA). Der Zweck dieser Beschleuniger bestand darin, Positronen- und Elektronenstrahlen in den CERN-Beschleunigerkomplex (genauer gesagt in das Protonensynchrotron) zu injizieren, um nach vielen Beschleunigungsstufen an LEP abgegeben zu werden. Operational 1987-2001; Nach dem Abschalten von LEP und dem Abschluss von Experimenten, die direkt vom LPI gespeist wurden, wurde die LPI-Anlage für die CLIC-Testanlage 3 (CTF3) angepasst.
Der 1982 in Betrieb genommene Niedrigenergie-Antiprotonenring (LEAR), der 1995 die ersten Stücke echter Antimaterie zusammensetzte und aus neun Antiwasserstoffatomen bestand. Es wurde 1996 geschlossen und vom Antiproton Decelerator abgelöst. Der LEAR-Apparat selbst wurde in den LEIR-Ionenverstärker (Low Energy Ion Ring) umkonfiguriert.
Die Compact Linear Collider Test Facility 3 (CTF3), die die Machbarkeit für das zukünftige normal leitende Linear Collider-Projekt (CLIC Collider) untersuchte. In Betrieb 2001–2016. Eine seiner Strahllinien wurde ab 2017 in die neue CLEAR-Anlage (CERN Linear Electron Accelerator for Research) umgewandelt.

Mögliche zukünftige Beschleuniger
Das CERN untersucht in Zusammenarbeit mit Gruppen weltweit zwei Hauptkonzepte für zukünftige Beschleuniger: einen linearen Elektron-Positron-Kollider mit einem neuen Beschleunigungskonzept zur Steigerung der Energie (CLIC) und eine größere Version des LHC, ein Projekt, das derzeit Future Circular Collider heißt .

Installationen
Das CERN betreibt keinen einzelnen Teilchenbeschleuniger, um die Struktur der Materie zu untersuchen, sondern eine ganze Kette anderer Maschinen (manchmal auch Injektoren genannt). Die Teilchen, die sie nacheinander passieren, werden zunehmend beschleunigt, wodurch die Teilchen immer mehr Energie erhalten. Dieser Komplex umfasst derzeit mehrere Linear- und Kreisbeschleuniger.

Die Gebäude, aus denen der Wissenschaftskomplex besteht, sind ohne erkennbare Logik nummeriert. Zum Beispiel ist das Gebäude 73 zwischen den Gebäuden 238 und 119 eingeklemmt. Die Vielzahl von Sprachen und Nationalitäten (mehr als 80) innerhalb des CERN hat Cédric Klapisch teilweise zur Entstehung des Films L’Auberge Espagnol inspiriert.

Kette von Teilchenbeschleunigern um den LHC
Die leistungsstärkste Installation am CERN ist der Large Hadron Collider (LHC), der am 10. September 2008 in Betrieb genommen wurde (ursprünglich im November 2007 geplant). Der LHC befindet sich ganz am Ende der Beschleunigerkette. Bei einer Beschleunigung der Protonen gehen sie folgenden Weg:

Alles beginnt mit einer Protonenquelle, die als „Duoplasmatron“ bezeichnet wird. Diese Maschine von der Größe einer Blechdose erzeugt mit Wasserstoff Protonen mit einer Anfangsenergie von 100 k eV (der Kern von gewöhnlichem Wasserstoff besteht aus einem einzelnen Proton). Dieses aus einer Flasche kommende Gas wird mit kontrollierter Geschwindigkeit in die Quellkammer injiziert, wo es ionisiert wird, um das einzelne Elektron aus jedem Atom zu extrahieren. Die resultierenden Protonen werden dann durch ein elektrisches Feld zum nächsten Schritt ausgestoßen.

Linac-2-Linearprotonenbeschleuniger, der 1978 in Betrieb genommen wurde. Er bildet (zusammen mit der Protonenquelle) das erste Glied in der Kette und ist die am häufigsten verwendete Installation am CERN. Die Verfügbarkeitsrate beträgt 98 bis 99% und die Abschaltung ist für etwa 2017 geplant, wenn sie dann durch Linac-4 ersetzt wird. Der Linac-2 beschleunigt die Protonen auf ein Drittel der Lichtgeschwindigkeit, was zu einer Energie von 50 MeV pro Teilchen führt.

Am Ausgang von Linac-2 werden die Protonen in den PS-Booster injiziert. Es ist ein kleines Synchrotron mit einem Umfang von 157 m, das die Energie auf 1,4 GeV pro Proton bringt, was 91,6% der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Die Protonen werden dann in das PS injiziert.

Das PS- oder Protonensynchrotron mit einem Umfang von 628 Metern und 277 Elektromagneten, darunter 100 Dipole, die zum Biegen des Teilchenstrahls verwendet werden. Es ist eines der ältesten Geräte am CERN, da es im November 1959 in Betrieb genommen wurde, seitdem jedoch mehrfach modifiziert wurde. Diese Maschine wird derzeit verwendet, um Protonen, aber auch Ionen zu beschleunigen. Während seiner Karriere wirkte es auch als Beschleuniger von Antiprotonen, Elektronen und Positronen (Antielektronen). Es erhöht die Energie von Protonen auf 25 GeV und beschleunigt sie auf 99,9% der Lichtgeschwindigkeit. Ab diesem Schritt ist die Geschwindigkeitssteigerung nicht mehr signifikant, da wir uns der des Lichts nähern, das nach der Relativitätstheorie eine unüberwindbare Grenze darstellt. Die Zunahme der Energie von Teilchen ist nun hauptsächlich das Ergebnis einer Zunahme ihrer Masse.

Das Super Proton Synchrotron (SPS) mit einem Umfang von 7 km ist mit 1.317 Elektromagneten einschließlich 744 Dipolen ausgestattet. Es treibt Protonen auf 450 GeV. Es wurde 1976 als einfaches, umgebautes Collider-Protonen-Antiproton-Beschleuniger 1983 in Betrieb genommen, bevor es von 1989 an eine neue Injektorkette zum LEP und dann zu seinem Ersatz, dem LHC, wurde. Wie das PS hat das SPS während seiner Karriere verschiedene Teilchen beschleunigt (Protonen, Antiprotonen, mehr oder weniger massive Ionen, Elektronen, Positronen). Seit dem Start des LHC arbeitet das SPS nur mit Protonenionen.

Und schließlich der LHC oder Large Hadron Collider (Large Hadron Collider, auf Französisch) mit einem Umfang von 26,659 km unter Verwendung von Supraleitern, bei dem Protonen 7 TeV erreichen können (dh ein Energieniveau pro Teilchen, das 70 Millionen Mal größer ist als das des Quelle Duoplasmatron).

Im Rahmen des ALICE-Experiments beschleunigt der LHC auch Bleiionen, und für letztere ist der Verlauf etwas anders: Durch eine „ECR-Quelle“ aus verdampftem und dann ionisiertem Blei werden die Bleiionen zum ersten Mal im Linac-3-Linear beschleunigt Beschleuniger, dann passieren sie den LEIR (Low Energy Ion Ring). Erst dann folgen die Ionen über PS, SPS und LHC demselben Weg wie die Protonen (die ECR-Quelle, Linac-3 und LEIR ersetzen daher das Duoplasmatron, Linac-2 bzw. „Booster“). Während sie beschleunigen, werden diese Ionen in mehreren Stufen von ihren Elektronen befreit, bis nur noch “nackte” Atomkerne übrig sind, die eine Energie von jeweils 574 TeV erreichen können (dh 2, 76 TeV pro Nukleon).

Jede CERN-Installation verfügt über eine oder mehrere Experimentierhallen, die für Experimente zur Verfügung stehen. Auf diese Weise können die beschleunigten Protonen des Boosters, des PS und des SPS entweder zum nächsten Beschleuniger in der Kette oder zu Versuchsbereichen geleitet werden, meistens mit einem festen Ziel (Kollision zwischen den Strahlen und einem Ziel, um dies zu erreichen) neue Partikel produzieren).

Weitere Einrichtungen und Experimente am CERN
Obwohl der LHC derzeit die größte und bekannteste Einrichtung ist, sind am CERN andere Geräte und Forschungsarbeiten vorhanden.

AD, der Antiprotonenverzögerer
Der Antiprotonenverzögerer (en) ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Antiprotonen mit niedriger Energie. Tatsächlich haben die Antiprotonen während ihrer Erzeugung (durch Aufprall von Protonen, die vom PS auf ein metallisches Ziel kommen) normalerweise eine zu hohe Geschwindigkeit, um während bestimmter Experimente genutzt werden zu können, und außerdem sind ihre Flugbahnen und ihre Energien unterschiedlich. Der Antiprotonenverzögerer wurde gebaut, um diese Partikel zu gewinnen, zu kontrollieren und letztendlich auf etwa 10% der Lichtgeschwindigkeit zu verlangsamen. Hierfür werden Elektromagnete und starke elektrische Felder verwendet. Einmal “gezähmt”, können diese Antiprotonen in anderen Experimenten verwendet werden:

ACE (Antiproton Cell Experiment): Ein Experiment, das die Wirksamkeit von Antiprotonen bei der Krebsbekämpfung untersucht, indem ein Strahl dieser Partikel in vitro in lebende Zellen injiziert wird. Die Energie, die durch die Vernichtung zwischen den injizierten Antiprotonen und den Protonen der Atomkerne freigesetzt wird, zerstört dann die Zellen. Ziel ist es, Krebstumoren durch Einbringen von Antiprotonen in diese zu zerstören. Diese Methode wäre vorteilhafter als andere Partikelstrahl-Therapien, da sie für gesundes Gewebe weniger schädlich ist. Die ersten Ergebnisse sind vielversprechend, aber medizinische Anwendungen werden für etwa zehn Jahre nicht erwartet.

ALPHA und ATRAP: Ziel dieser Experimente ist es, die Unterschiede in den Eigenschaften zwischen Materie und Antimaterie zu untersuchen. Dazu werden Antiwasserstoffatome (bestehend aus einem Antiproton und einem Positron) erzeugt und ihre Eigenschaften mit denen gewöhnlicher Wasserstoffatome verglichen.

ASACUSA: Dieses Experiment hat das gleiche Ziel wie die beiden vorherigen, jedoch mit einer anderen Methode. Anstatt Antiwasserstoffatome zu verwenden, werden die Physiker von ASACUSA viel exotischere Konfigurationen wie antiprotonisches Helium herstellen, dh Heliumatome, von denen eines der Elektronen ersetzt wurde. von einem Antiproton! (Erinnerung: Das Antiproton hat wie das Elektron eine negative elektrische Ladung). Der Vorteil dieser Konfigurationen besteht darin, dass sie einfacher herzustellen sind und eine längere Lebensdauer als Antiwasserstoff haben.

AEgIS: Ein Experiment, dessen Hauptziel es ist, zu überprüfen, ob die Auswirkungen der Schwerkraft auf die Antimaterie mit denen auf die Materie identisch sind (oder nicht). Es werden mehrere Hypothesen in Betracht gezogen, einschließlich der Möglichkeit, dass für Antimaterie die Wirkung der Schwerkraft umgekehrt wird.

BESETZUNG
C ERN A ction S olar T-Teleskop (Teleskop für Sonnenachsen CERN). Ein Instrument zur Erkennung hypothetischer Spannungen aus der Sonne.

Axionen sind Teilchen, von denen vermutet wird, dass sie Teil der Dunklen Materie sind, und die auch den Ursprung der kleinen Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie erklären würden, daher das Interesse an der Erforschung ihrer Existenz. Das Funktionsprinzip von CAST besteht darin, ein starkes Magnetfeld im Weg dieser Partikel in korrekt ausgerichteten Vakuumröhren zu positionieren, das sie in Röntgenstrahlen umwandeln sollte, wenn sie es kreuzen. Es ist diese Röntgenstrahlung, die leichter nachweisbar ist als die Axionen selbst, die aufgezeichnet werden soll. Wenn die Axionen existieren, ist es wahrscheinlich, dass sie in der Mitte unseres Sterns vorhanden sind. Aus diesem Grund ist CAST ein Teleskop, das dank einer mobilen Plattform in Richtung der Sonne gerichtet ist.

Beachten Sie, dass in diesem Experiment eine bestimmte Anzahl bereits vorhandener Komponenten wiederverwendet wird: ein Prototyp eines supraleitenden Dipolmagneten, der für das Design des LHC verwendet wurde, eine kryogene Kühlvorrichtung, die für das DELPHI-Experiment des großen Elektron-Positron-Kolliders (LEP) verwendet wurde ) und ein Röntgenfokussiersystem aus einem Weltraumprogramm. CAST kombiniert Techniken aus der Astronomie und der Teilchenphysik und ist auch das einzige Experiment, bei dem kein von Beschleunigern erzeugter Strahl verwendet wird. Dennoch profitiert es von den Fähigkeiten des CERN.

WOLKE
C osmics L eaving OR tdoor D roplets (Kosmische Strahlung, die äußere Tröpfchen erzeugt)

CLOUD (in) ist geplant, um einen möglichen Einfluss der kosmischen Strahlung auf die Wolkenbildung zu untersuchen. In der Tat könnten diese geladenen Teilchen, die aus dem Weltraum kommen, neue Aerosole erzeugen, die die Dicke der Wolkendecke beeinflussen. Satellitenmessungen erlauben es uns, eine Korrelation zwischen der Dicke der Wolken und der Intensität der kosmischen Strahlung zu vermuten. Schwankungen der Wolkendecke um einige Prozent können jedoch einen deutlichen Einfluss auf das Klima und das thermische Gleichgewicht unseres Planeten haben.

CLOUD, das sich noch in der Vorbereitungsphase mit einem Prototyp-Detektor befindet, besteht aus einer Nebelkammer und einer “Reaktionskammer”, in der die Druck- und Temperaturbedingungen eines beliebigen Bereichs der Atmosphäre wiederhergestellt werden können und die einem Partikelfluss ausgesetzt werden erzeugt durch die PS, die kosmische Strahlung simuliert. Mehrere Geräte überwachen und analysieren den Inhalt dieser Kammern. Dies ist das erste Mal, dass ein Teilchenbeschleuniger zur Untersuchung der Atmosphäre und des Klimas verwendet wurde. Diese Erfahrung könnte „unser Verständnis von Wolken und Klima erheblich verändern“.

KOMPASS
CO mmon M uon und P roton A pparatus für S-Struktur und S-Pektroskopie

Dieses vielseitige Experiment besteht darin, die Struktur von Hadronen (zu denen das Proton und das Neutron gehören, deren Bestandteile wir sind) und damit die Verbindungen zwischen Gluonen und den Quarks, aus denen sie bestehen, zu untersuchen. Hierzu werden von der SPS beschleunigte Protonen verwendet. Die verschiedenen Ziele sind unter anderem:

Untersuchen Sie den Ursprung des Nukleonenspins, insbesondere die Rolle der Gluonen. Dazu werden Myonen erzeugt (instabile Teilchen, vergleichbar mit dem Elektron, aber massiver), die auf ein „polarisiertes Ziel“ projiziert werden.

Erkennung von Leimkugeln, hypothetischen Partikeln, die nur aus Gluonen bestehen;

Bestimmung der Hierarchie der verschiedenen Hadronentypen durch Erzeugung und anschließende Verwendung eines Pionstrahls.

CTF3
C LIC T ist F acility 3. Ein Teststandort, an dem sich das CERN bereits nach dem LHC im Rahmen des CLIC-Projekts (Compact Linear Collider) vorbereitet.

Ziel ist es, einen Beschleuniger der nächsten Generation, den CLIC, zu entwickeln, der es ermöglicht, die Entdeckungen des LHC zu vertiefen, jedoch zu Kosten und Installationsdimensionen, die relativ vernünftig bleiben würden. Ziel ist es, eine Energie zu erzielen, die mit der am LHC erzielten vergleichbar ist, diesmal jedoch mit Elektronen / Positronen-Kollisionen (anstelle von Protonen / Protonen-Kollisionen), was neue Perspektiven eröffnet.

Das Funktionsprinzip des zukünftigen CLIC basiert auf einem Zweistrahlsystem, das es ermöglichen soll, höhere Beschleunigungsfelder als die vorherigen Beschleuniger zu erzeugen, dh in der Größenordnung von 100 bis 150 MV / m. Der Hauptstrahl wird durch Hochfrequenzleistung beschleunigt, die von einem parallelen Elektronenstrahl mit niedrigerer Energie, aber hoher Intensität erzeugt wird. Es ist die Verzögerung dieses “Antriebsstrahls”, die die für die Beschleunigung des Hauptstrahls verwendete Energie liefert. Wir könnten dieses Prinzip mit dem eines elektrischen Transformators vergleichen, der aus einem Strom niedrigerer Spannung einen elektrischen Hochspannungsstrom erzeugen würde, jedoch auf Kosten eines Intensitätsabfalls.

DIRAC
DI meson R elativistic A tomic C omplex (Relativistischer Atomkomplex von Di-Mesonen). Dieses Experiment zielt darauf ab, die starke Wechselwirkung, die Quark zusammenhält und somit Hadronen bildet, besser zu verstehen. Genauer gesagt geht es darum, das Verhalten dieser Kraft über „große“ Entfernungen und bei niedriger Energie zu testen.

Zu diesem Zweck untersucht DIRAC den Zerfall von pionischen Atomen (oder Pionien, dh instabilen Anordnungen positiver und negativer Pionen) oder von „Atomen“ (jeweils bestehend aus einem Pion und einem Kaon entgegengesetzter Ladungen, ebenfalls instabil). . Die Lebensdauer dieser exotischen Baugruppen, die dank des Protonenstrahls des PS erzeugt werden, wird “mit einer nie zuvor erreichten Präzision gemessen”.

ISOLDE
I sotope S eparator O n L ine OF tector (der Online-Isotopentrenner (in))

ISOLDE wird als “alchemistische Fabrik” bezeichnet und ermöglicht die Herstellung und Untersuchung einer großen Anzahl instabiler Isotope, von denen einige eine Halbwertszeit von nur wenigen Millisekunden haben. Diese Isotope werden durch Einwirkung von Protonen, die vom PS-Injektor kommen, auf Ziele verschiedener Zusammensetzungen (von Helium bis Radium) erzeugt. Sie werden durch Masse getrennt und dann beschleunigt, damit sie untersucht werden können. Viele dieser Experimente verwenden einen Gammastrahlendetektor, der als “Miniball” bezeichnet wird.

ISOLDE versucht daher, die Struktur des Atomkerns im Wesentlichen zu untersuchen, hat aber auch andere Ziele in der Biologie, Astrophysik und anderen Bereichen der Physik (Atomik, Festkörper, Grundlagenphysik).

Ein ISOLDE-Team beobachtete während eines Elektrolyseexperiments mit einer seit 1989 bekannten Palladiumelektrode einen abnormalen Wärmeeffekt (AHE) und legte ihn während eines Seminars frei.

n_TOF
“Die Neutronenfabrik”. Mit Protonen aus dem PS soll dieses Gerät Neutronen mit hohen Intensitätsflüssen und einem breiten Energiebereich erzeugen. Die sogenannte „Neutronen-Flugzeit“ -Installation ermöglicht eine genaue Untersuchung der Prozesse, an denen diese Partikel beteiligt sind. Die erzielten Ergebnisse sind für verschiedene Forschungsprojekte von Interesse, bei denen Neutronenflüsse eine Rolle spielen: Kernastrophysik (insbesondere in Bezug auf Sternentwicklung und Supernovae); Zerstörung radioaktiver Abfälle; oder die Behandlung von Tumoren durch Partikelstrahlen.

Beschleuniger zerlegt
Seit seiner Eröffnung hat das CERN mehrere Beschleuniger verwendet, von denen einige zerlegt wurden, um andere aufzunehmen, die effizienter oder besser für die aktuelle Forschung geeignet sind. Diese Beschleuniger sind:

Linac1, CERNs erster Linearbeschleuniger, wurde 1959 in Betrieb genommen und 1993 durch Linac3 ersetzt.

ein 600-MeV-Synchrozyklotron (SC), das von 1957 bis 1991 in Betrieb war. Es hatte einen Elektromagneten, der aus zwei Spulen mit einem Durchmesser von 7,2 Metern und einem Gewicht von jeweils 60 Tonnen bestand.

CESAR, ein „Elektronenspeicher- und Akkumulationsring“, der 1963 fertiggestellt und 1968 abgebaut wurde. Die Inbetriebnahme von CESAR war schwierig, ermöglichte jedoch den Erwerb nützlichen Know-hows für die Entwicklung zukünftiger CERN-Kollider.

Die Intersecting Storage Rings (ISR), die von 1966 bis 1971 gebaut wurden und bis 1984 in Betrieb waren. Sie waren der erste Protonenkollider, der auch als erster Teilchenbeschleuniger supraleitende Magnete verwendete (ab November 1980) und dann als erster Kollisionen erzeugte zwischen Protonen und Antiprotonen (im April 1981);

das Large Electron Positron (LEP), das von 1989 bis 2000 in Betrieb war und durch das LHC ersetzt werden soll. LEP war zu seiner Zeit der größte Beschleuniger des CERN und kollidierte mit Elektronen und Positronen.

Der 1982 in Betrieb genommene Low Energy Antiproton Ring (LEAR) ermöglichte den Zusammenbau der ersten Antimaterie-Atome im Jahr 1995. Er wurde 1996 abgeschaltet und in einen LEIR (Low Energy Ion Ring) umgewandelt, der den LHC versorgen soll schwere Ionen.

Experimente abgebaut

CNGS
C ern N eutrinos an G ran S asso (Neutrinos von CERN an Gran Sasso).

Diese Installation besteht aus der Erzeugung eines Neutrinostrahls, der zu einem Labor in Italien und 732 Kilometern Entfernung geleitet wird. Dazu werden von der SPS beschleunigte Protonen an ein Graphitziel gesendet. Die resultierenden Kollisionen erzeugen instabile Partikel, sogenannte Pionen und Kaonen, die von einem Magnetgerät in einen kilometerlangen Vakuumtunnel fokussiert werden, wo sie zerfallen. Diese Zerfälle erzeugten wiederum Myonen und vor allem Neutrinos. Ein Schild und dann das Gestein hinter dem Ende des Tunnels absorbieren alle Partikel (Myonen, nicht zerfallene Pionen und Kaonen oder Protonen, die das Ziel passiert haben) außer Neutrinos, die somit die einzigen sind, die ihren Weg fortsetzen. Die Baugruppe ist so ausgerichtet, dass der resultierende Neutrinostrahl zu einem italienischen Labor im Gran Sasso geleitet wird.

Das Ziel all dessen ist es, das Phänomen der Oszillation von Neutrinos zu untersuchen: In der Tat gibt es drei Arten (sogenannte Aromen) von Neutrinos, und es wird jetzt angenommen, dass diese Partikel zwischen diesen drei Aromen “oszillieren” und sich von einem zu einem transformieren andere. CNGS ermöglicht die Untersuchung dieser Schwingungen, da die produzierten Neutrinos ausschließlich von Myonengeschmack sind, während sich auf der Höhe des Gran Sasso und nach einer Reise von 732 km innerhalb der Erde einige in andere verwandelt haben. Aromen, die aufgezeichnet werden können. Die ersten Neutrinostrahlen wurden im Sommer 2006 emittiert. Angesichts der geringen Interaktivität der Neutrinos und der geringen Schwingungen sind jahrelange Experimente und Datenerfassungen erforderlich. Im Mai 2010 wurde das erste Ereignis beobachtet, das der Schwingung eines der von CNGS produzierten Neutrinos entsprach. Diese Anlage wurde im Dezember 2012 nach sechsjähriger Betriebszeit stillgelegt. In den für das CNGS verwendeten CERN-Tunneln wird nun das AWAKE-Experiment (Advanced WAKefield Experiment) durchgeführt, das von der SPS mit Protonen versorgt wird. Es sollte Ende 2016 in Betrieb gehen.

Umweltschutz am CERN
Die Umweltüberwachung am CERN wird einerseits von der HSE-Abteilung (Gesundheit & Sicherheit und Umweltschutz) und andererseits von zwei externen Stellen durchgeführt: dem Bundesamt für Gesundheit (Schweiz) und dem Institut für Strahlenschutz und nukleare Sicherheit (Frankreich). Das FOPH hat ein CERN-Nullpunktüberwachungsprogramm gestartet, das darauf abzielt, einen Referenzpunkt der radiologischen Situation um das CERN zu erhalten, bevor der Large Hadron Collider in Betrieb genommen wird.