CERN

CERN, die Europäische Organisation für Kernforschung (engl. European Organisation for Nuclear Research, franz. Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire, die Abkürzung leitet sich vom früheren franz. Namen Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire ab) ist eine Großforschungseinrichtung in der Nähe von Genf in der Schweiz. Am CERN wird vielfältige physikalische Grundlagenforschung betrieben, bekannt ist es vor allem für seine großen Teilchenbeschleuniger.

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Überblick

Derzeit hat es 20 Mitgliedsländer. Mit seinen knapp 3000 Mitarbeitern (Stand: 25.Oktober 2007) ist das CERN das weltgrößte Forschungszentrum auf dem Gebiet der Teilchenphysik. Ca. 6500 Gastwissenschaftler aus aller Welt arbeiten an CERN-Experimenten. Das Budget des CERN beläuft sich 2007 auf 1,34 Milliarden CHF (ca. 800 Millionen Euro).

Beim CERN wird die Zusammensetzung der Materie erforscht, indem Elementarteilchen wie Elektronen oder Protonen sehr stark beschleunigt und dann zur Kollision gebracht werden. Mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Teilchendetektoren werden dann die Flugbahnen der in den Kollisionen entstehenden Teilchen rekonstruiert. Daraus lassen sich dann die Eigenschaften der kollidierten und neu entstandenen Teilchen bestimmen. Dies ist in der Regel mit enormem technischem Aufwand und Rechenleistung verbunden, womit nicht zuletzt der internationale Ansatz dieses Großforschungsprojekts klar wird (Finanzierung). Teile der Beschleunigeranlagen sind unter anderem das Super Proton Synchrotron (SPS) und der Large Electron-Positron Collider (LEP; Großer Elektron-Positron-Speicherring).

Lage

Das Hauptgelände des CERN liegt bei Meyrin nahe der Grenze zu Frankreich, Teile der Beschleunigerringe und auch einige oberirdische Experimentierplätze befinden sich dadurch auf der anderen Grenzseite. Das Gelände des CERN gehört dabei zu keinem Länderstaatsgebiet, sondern ist exterritorial, ähnlich dem Gelände der UN in New York.

Organisation

Mitgliedstaaten

Die Gründungsmitglieder 1954 waren Belgien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, Griechenland, Vereinigtes Königreich, Italien, Jugoslawien (bis 1961), Niederlande, Norwegen, Schweden und die Schweiz.

Es folgten weitere Staaten: Österreich (1959), Spanien (1961–1968 und ab 1983), Portugal (1986), Finnland (1991), Polen (1991), Ungarn (1992), Tschechien (1993), Slowakei (1993) und Bulgarien (1999).

Die EU hat Aufsichts- und Kontrollfunktion.

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 durch Felix Bloch, den ersten regulären Generaldirektor des CERN.

Im November 2000 wurde der LEP abgeschaltet. Im gleichen Tunnel wird zur Zeit der LHC (Large Hadron Collider) gebaut, in welchem Protonen aufeinander geschossen werden. Dort werden dann Energien erreicht, die in herkömmlichen Teilchenbeschleunigern bisher nicht möglich waren (bis 14 TeV). In diesem Beschleuniger soll dann nach schweren supersymmetrischen Teilchen und dem umstrittenen Higgs-Boson sowie dem Quark-Gluon-Plasma gesucht werden. Zugunsten dieses Projekts wurden andere Aktivitäten stark reduziert. So gab es 2005 am CERN nur einen eingeschränkten Beschleunigerbetrieb.

Erste Beschleuniger

Ursprünglich war das CERN vor allem für 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 beschleunigt, 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) Protonenergie von 28 GeV, es arbeitet heute noch als Vorbeschleuniger. 1965 erfolgte eine Vereinbarung mit Frankreich, den geplanten Protonen-Speicherring, Intersecting Storage Ring (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 % durch die Bundesrepublik Deutschland, zu 22 % durch das Vereinigte Königreich und zu 20 % 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.

LEP und LHC

Im August 1989 ging der Large Electron-Positron Collider (LEP) in Betrieb. In einem Tunnel von 27 km Länge trafen hier an ausgewählten Stellen Elektronen und ihre Antiteilchen, die Positronen, mit Energien von 100 GeV aufeinander. 1990 entwickelte Tim Berners-Lee am CERN das World Wide Web. 1996 wurden am LEAR-Speicherring erstmals Antiwasserstoff-Atome produziert, es gab dabei erste Hinweise auf geringfügige Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie (CP-Verletzung), was 2001 durch ein weiteres Experiment bestätigt wurde. 1999 begannen die Bauarbeiten für den Large Hadron Collider (LHC), der den Tunnel des LEP übernahm, der dafür 2000 abgeschaltet wurde. Noch im selben Jahr hatte es einen ersten Hinweis auf die Entstehung eines Quark-Gluon-Plasmas gegeben, Folgeexperimente am LHC mit dem ALICE-Detektor sind vorgesehen. 2002 gelang die Produktion und Speicherung von mehreren tausend „kalten“ Antiwasserstoff-Atomen durch die ATHENA-Kollaboration. Produktion von Antimaterie mittels Teilchenkollision gelungen (Größe: 1,425 Nanometer). Beginn der Datenaufnahme im COMPASS-Experiment. Für 2008 ist die Inbetriebnahme des Large Hadron Collider (LHC) mit Kollisionsenergien für Protonen und schwere Ionen im TeV-Bereich geplant. Mit mehreren Staaten, die nicht zu CERN gehören, wurden Kooperationsvereinbarungen für die LHC-Nutzung abgeschlossen. Bisher mit Indien, Japan, Kanada, Russland und den USA.

Generaldirektoren

• September 1952–September 1954 Edoardo Amaldi (1908–1989), Italien (provisorisches CERN)
• Oktober 1954–August 1955 Felix Bloch (1905–1983), Schweiz/USA
• September 1955–April 1960 Cornelis Jan Bakker (1904–1960), Niederlande - verstarb 1960 durch einen Flugzeugabsturz
• Mai 1960–Juli 1961 John Bertram Adams (1920–1984), Großbritannien
• August 1961–Dezember 1965 Victor Frederick Weisskopf (1908–2002), USA (gebürtig in Österreich)
• Januar 1966–Dezember 1970 Bernard Paul Gregory (1919–1977), Frankreich
• Januar 1971–Dezember 1975 Willibald Karl Jentschke (1911–2002), Österreich, Generaldirektor für das CERN Laboratorium I in Meyrin (Schweiz)
• Januar 1971–Dezember 1975 John Bertram Adams (1920–1984), Großbritannien, Generaldirektor für das CERN Laboratorium II
• Januar 1976–Dezember 1980 John Bertram Adams (1920–1984), Großbritannien, geschäftsführender Generaldirektor
• Januar 1976–Dezember 1980 Léon Charles Van Hove (1924–1990), Belgien, Direktor für Forschung
• Januar 1981–Dezember 1988 Herwig Schopper (* 1924), Deutschland
• Januar 1989–Dezember 1993 Carlo Rubbia (* 1934), Italien
• Januar 1994–Dezember 1998 Christopher Llewellyn Smith (* 1942), Großbritannien
• Januar 1999–Dezember 2003 Luciano Maiani (* 1941), Italien
• Januar 2004–Dezember 2008 Robert Aymar (* 1936), Frankreich
• Januar 2009–Dezember 2013 Rolf-Dieter Heuer (* 1948), Deutschland

Forschungsanlagen

Beschleuniger

• Proton Synchrotron Booster
• Proton Synchrotron
• Synchro-Cyclotron
• Super Proton Synchrotron
• Intersecting Storage Rings
• Low Energy Antiproton Ring
• Large Electron-Positron Collider
• Large Hadron Collider

Detektoren

  Detektoren am LEP

Alle vier Detektoren wurden für den Test des Standardmodells entwickelt.

ALEPH: Apparatus for LEp PHysics; Nachweis von Teilchen, die bei der Zerstrahlung von Elektronen und Positronen entstehen

DELPHI: DEtector with Lepton PHoton and Hadron Identification; Teilchenidentifikation sowie dreidimensionale Teilchenspuren

OPAL: Omni Purpose Apparatus for Lep; großer, zwiebelförmig aufgebauter Vielzweckdetektor zur Messung von Reaktionsprodukten

L3-Detektor: Der größte LEP-Detektor enthält mehr als 10.000 Kristalle aus Bismut-Germanium-Oxid zum Nachweis von Elektronen und Photonen. L3 erhielt diesen Namen, weil es sich um den dritten eingereichten Vorschlag für einen LEP-Detektor handelte.

Detektoren am LHC

ALICE: A Large Ion Collider Experiment; ALICE ist ein Vielzweckdetektor, optimiert für Kollisionen von Schwerionen z.B. Blei, bei denen extreme Energiedichten eintreten. Ionen, mit denen das Quark-Gluon-Plasma erzeugt werden soll, werde aber erst am Ende der Laufzeit von LHC eingesetzt.

ATLAS (Detektor): A Toroidal Lhc ApparatuS; Atlas soll hochenergetische Proton-Proton-Kollisionen untersuchen und dem Higgs-Teilchen auf die Spur kommen; evtl. Teilchennachweis aus Supersymmetriemodellen: ATLAS hat einen zwiebelförmigen Aufbau zum Nachweis unterschiedlichster Teilchenspuren.

CMS: Compact Muon Solenoid; CMS untersucht ebenfalls Proton-Proton-Kollisionen; Besonderheit ist ein Kalorimeter aus Blei-Wolframat-Kristallen für hochenergetische Photonen, zusätzlich Halbleiterspurdetektoren und Myon-Nachweissystem. CMS und ATLAS sind so konzipiert, dass sie eine gegenseitige Überprüfung wissenschaftlicher Resultate garantieren.

LHCb: Large Hadron Collider beauty experiment; LHCb soll Messungen zur CP-Verletzung bei B-Mesonen vornehmen, seltene Zerfälle von Hadronen, die das schwere Bottom-Quark enthalten.

TOTEM: Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC

Weitere bedeutende Experimente

• COMPASS-Experiment: COMPASS ist ein Experiment aus dem Bereich der Hochenergiephysik am Super Proton Synchrotron (SPS). Ziel des Experiments ist zum einen die Erforschung der Hadronstruktur und zum anderen Hadronspektroskopie mit Myon- und Hadronstrahlen hoher Intensität. Das COMPASS-Spektrometer wurde in den Jahren 1999 bis 2000 aufgebaut und im Rahmen eines technischen Runs 2001 in Betrieb genommen. Die Datennahme begann im Sommer 2001 und wird nach einjähriger Unterbrechung 2005 voraussichtlich bis 2010 fortgesetzt. 240 Wissenschaftler aus 12 Ländern und 28 Instituten sind bei COMPASS engagiert.
• CNGS: CERN Neutrinos to Gran Sasso; Ziel dieses Experiments ist es, die Neutrinooszillation zu untersuchen. Dazu wird mit Hilfe des SPS-Beschleunigers ein Neutrino-Strahl erzeugt, der mit dem OPERA im italienischen Labor Gran Sasso National Laboratory (LNGS) detektiert und untersucht werden soll. Die Konstruktion begann im September 2000. Am 18. August 2006 hat OPERA den ersten Neutrino-Strahl detektiert.
• ISOLDE (Isotope On-line Detector): ist ein on-line Isotopen-Massenseparator. Damit kann eine Vielzahl radioaktiver Ionenstrahlen erzeugt werden, die in Experimenten der Atom-, Kern-, Astro- und Festkörperphysik und biomedizinischen Studien Verwendung finden. Mehr als 600 Isotope von 60 verschiedenen Elementen mit Lebensdauern bis in den Millisekunden-Bereich wurden bisher untersucht
• CAST-Experiment: In diesem Experiment wird versucht, mittels eines sehr starken Magnetfelds so genannte Axionen nachzuweisen, subatomare, schwach wechselwirkende Teilchen (sog. WIMPs), welche als Hauptkandidaten für „Dunkle Materie“ gelten (siehe auch: Primakoff-Effekt).

Daneben gibt es noch eine Vielzahl kleinerer Experimente.

Sonstiges

Computertechnik

Am CERN wurde auch die Idee des World Wide Web von Tim Berners-Lee auf den Weg gebracht.

Derzeit ist man am CERN u. a. intensiv an der Entwicklung des World Wide Grid beschäftigt, einem System für verteiltes Rechnen. Dieses wird benötigt, um die ungeheuren Datenmengen, die ab 2008 an den 3 grossen Experimenten (ATLAS, CMS, LHCb) des LHC anfallen, zu bewältigen.

CERN in der Literatur

In Dan Browns Roman Illuminati wird im CERN ein Wissenschaftler ermordet und Antimaterie gestohlen und gesprengt.

Thomas Lehrs Roman 42 handelt von einer 5-jährigen Erstarrung der (Teilchen der) Welt, ausgelöst durch einen Unfall im CERN.

Das CERN spielt außerdem eine Rolle in Stel Pavlous Roman „Decipher“, Robert J. Sawyers Roman „Flashforward“, Cliff Stolls „The Cuckoo's Egg“, Michael Crichtons „State of Fear“, John G. Cramers „Einstein's Bridge“ und McCaffreys Roman „Pegasus in Space“.

In Frank Borschs Roman „Alien Earth – Phase 1“ wird vorgeschlagen, die stillgelegten Beschleuniger des CERN als Waffe gegen die Aliens zu verwenden.

Siehe auch

• Liste der Kernforschungsanlagen und Teilchenbeschleuniger, World Wide Grid

Literatur

• Hannelore Dittmar-Ilgen: 50 Jahre CERN – Ein Beitrag Europas für die Zukunft. Naturwissenschaftliche Rundschau 57(12), S. 653–660 (2004), ISSN 0028-1050

Koordinaten: 46° 14′ 3" N, 6° 3′ 10" O