Kaverne des ATLAS -Experiments im LHC -Ring (im Bau)

CERN (European Organization for Nuclear Research, frz. : Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire vormals Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, nicht Centre [...], was ein häufiger Fehler ist), die Europäische Organisation für Kernforschung, ist eine Großforschungseinrichtung mit zwei Speicherringen ( Synchrotronen ) sowie verschiedenen Teilchenbeschleunigern in Meyrin in der Nähe von Genf in der Schweiz . Da die Anlage in der Nähe der Grenze zu Frankreich gelegen ist, liegen ein Teil der Speicherringe und auch einige Experimentierplätze unter französischem Boden.

Mitgliedstaaten

CERN Mitgliedstaaten (Stand: 2005)

Die Gründungsmitglieder waren Belgien , Dänemark , Deutschland , Frankreich , Griechenland , Großbritannien , 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 Beobachterstatus.

Geschichte

Das CERN wurde am 29. September 1954 gegründet, indem elf europäische Länder ein entsprechendes Übereinkommen unterzeichneten, und es feierte am 29. September 2004 seinen 50. Geburtstag.

Derzeit hat es 20 Mitgliedsländer. Mit seinen knapp 3000 Mitarbeitern (Stand: 10. Juni 2005) ist das CERN das weltgrößte Forschungszentrum auf dem Gebiet der Teilchenphysik. Circa 6500 Gastwissenschaftler aus aller Welt arbeiten an CERN-Experimenten. Die EU hat Aufsichts- und Kontrollfunktion.

Beim CERN wird die Zusammensetzung der Materie erforscht, indem Elementarteilchen wie Elektronen oder Protonen sehr stark beschleunigt und dann zur Kollision gebracht werden. Teile der Beschleunigeranlagen sind unter anderem das Super Proton Synchrotron (SPS) und der Large Electron-Positron Collider (LEP; Großer Elektron-Positron-Speicherring).

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 wird es 2005 am CERN nur einen eingeschränkten Beschleunigerbetrieb geben.

Historisch in Nebelkammern , heute mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Teilchendetektoren werden 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 ernormem technischem Aufwand und Rechenleistung verbunden, womit nicht zuletzt der internationale Ansatz dieses Großforschungsprojekts klar wird (Finanzierung).

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 2007 anfallen, wenn der neue Ringbeschleuniger seine Messungen aufnimmt, zu bewältigen.

Chronologie des CERN

Nach zwei UNESCO-Konferenzen in Florenz und Paris unterzeichnen 11 europäische Regierungen die Vereinbarung zu einerm provisorischen CERN. Im Mai 1952 trifft sich der provisorische Rat zum ersten Mal in Paris .

29. Juni 1953 , auf der 6. Konferenz der "provisorischen" CERN in Paris unterzeichnen Vertreter der 12 europäischen Staaten die Gründungsurkunde.

Im Oktober 1953 wird auf einer Konferenz in Amsterdam der Sitz von CERN und dessen Laboratorium in der Nähe von Genf (Schweiz) bestimmt.

24. Februar 1954 erfolgt die 1. Konferenz des CERN-Rates nach der Gründung in Genf.

29. September 1954 : 7 der 12 Mitgliedstaaten ratifizieren den Staatsvertrag zur Gründung des gemeinsamen, europäischen Forschungszentrums CERN.

10. Juni 1955 : Grundsteinlegung des CERN durch Felix Bloch (1. Generaldirektor des CERN)

1957 : Das Synchro- Zyklotron (SC), das Protonen auf bis zu 600 MeV beschleunigt, wird in Betrieb genommen. Nach über 33 Jahren Betrieb wird es 1990 abgeschaltet.

1959 : Österreich wird Mitglied von CERN.

24. November 1959 : Das Protonen- Synchrotron (PS) mit einer (damals weltweit höchsten) Protonenergie von 28 GeV geht in Betrieb; es arbeitet heute als Vorbeschleuniger.

Januar 1961 wird Spanien Mitglied von CERN, während Jugoslawien als ehemaliges Gründungsmitglied austritt.

24. Mai 1962 : König Baudouin von Belgien besucht die Organisation CERN in Genf.

1965 erfolgt eine Vereinbarung mit Frankreich den geplanten Protonen-Speicherring, Intersecting Storage Ring (ISR) auch auf französischen Boden auszubauen.

1968 : Georges Charpak erfindet einen Teilchendetektor , der in einer gasgefüllten Kammer eine große Anzahl parallel angeordneter Drähte zur besseren Orts- und Energieauflösung enthielt. Er revolutioniert damit den Teilchennachweis. Nobelpreis für Physik 1992.

Im Dezember 1968 tritt Spanien aus der Organisation aus und tritt erst im Januar 1983 CERN wieder bei.

1970 belief sich das Budget für CERN auf 370 Millionen Schweizer Franken. Die Kosten wurden 1970 zu 23 % durch die Bundesrepublik Deutschland , zu 22 % durch Großbritannien und zu 20 % von Frankreich getragen.

1971 : Der erste Protonen-Speicherring, Intersecting Storage Ring (ISR), geht in Betrieb.

1971: Die große europäische Blasenkammer (BEBC) zur Untersuchung von Neutrino -Reaktionen geht in Betrieb.

1973 : Entdeckung der neutralen Ströme der Z0-Teilchen in der flüssigkeitsgefüllten Gargamelle-Blasenkammer durch den Franzosen André Lagarrigue .

1976 : Das Super-Protonen-Synchrotron (SPS) liefert auf einem Bahnumfang von 7 km Protonen mit 400 GeV.

1981 : Das SPS wird zum Proton-Antiproton-Collider ausgebaut. Dabei wird die Technik der stochastischen Kühlung von Simon van der Meer genutzt.

Januar 1983: Nach dem Austritt Spaniens im Jahr 1969 tritt es der Organisation wieder bei.

Mai 1983 : Entdeckung der W- und Z- Bosonen ; Carlo Rubbia und Simon van der Meer erhalten im Oktober 1984 dafür den Nobelpreis für Physik .

13. September 1983 der französische Staatspräsident François Mitterrand und der Präsident der Schweiz Pierre Aubert besuchen CERN.

1986 : Portugal wird Mitglied von CERN.

August 1989 : Der Large Electron-Positron Collider (LEP) geht in Betrieb. In einem Tunnel von 27 km Länge treffen an ausgewählten Stellen (siehe Kasten „Detektoren“) Elektronen und ihre Antiteilchen, die Positronen, mit Energien von 100 GeV aufeinander. Im Jahr 2000 abgeschaltet für den Bau des LHC.

1990 : Tim Berners-Lee entwickelt das World Wide Web .

1991 : Finnland und Polen werden Mitglied von CERN, 1992 folgt Ungarn .

1993 : Tschechien und die Slowakei werden Mitglied von CERN.

1996 : Am LEAR-Speicherring werden Antiwasserstoff-Atome produziert. Es gibt erste Hinweise auf geringfügige Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie (CP-Verletzung); 2001: Bestätigung durch ein weiteres Experiment.

1999 : Die Bauarbeiten für den Large Hadron Collider (LHC) beginnen.

1999 wird Bulgarien 20. Mitgliedstaat von CERN.

2000 : Erster Hinweis auf die Entstehung eines Quark-Gluon-Plasmas; Folgeexperimente am LHC mit dem ALICE-Detektor sind vorgesehen.

2000: Abschaltung des LEP.

2002 : Produktion und Speicherung von mehreren tausend „kalten“ Antiwasserstoff-Atomen (ATHENA-Kollaboration). Produktion von Antimaterie mittels Teilchenkollision gelungen (Größe: 1,425 Nanometer). Beginn der Datenaufnahme im COMPASS-Experiment

2007 : Geplante Inbetriebnahme des Large Hadron Collider (LHC) mit Kollisionsenergien für Protonen und schwere Ionen im TeV -Bereich. Mit mehreren Staaten, die nicht zu CERN gehören, wurden Kooperationsvereinbarungen für die LHC-Nutzung abgeschlossen. Bisher mit Indien , Japan , Kanada , Russland und den USA .

Detektoren am CERN

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 Bismuth - Germanium -Oxid zum Nachweis von Elektronen und Photonen. L3 erhielt diesen Namen, weil der 3. Brief für LEP-Experimente („letter 3“) sich mit ihm befasste.

Detektoren am LHC

ALICE: A Large Ion Collider Experiment; ALICE ist ein Vielzweckdetektor, optimiert für Kollisionen von Schwerionen , bei denen extreme Energiedichten eintreten. Dort erwartet man das Quark-Gluon-Plasma .

ATLAS : 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 am CERN

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 Grand Sasso; Ziel dieses Experiments ist es, die Neutrinooszillation zu untersuchen. Dazu wird mit Hilfe des SPS -Beschleunigers ein Neutrino -Strahl erzeugt, der im italienischen Labor Gran Sasso National Laboratory (LNGS) detektiert und untersucht werden soll. Die Konstruktion begann im September 2000 und der erste Strahl wird für Mai 2006 erwartet.

ISOLDE : 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.

Liste der Generaldirektoren von CERN

• 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 aus 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 und
• Januar 1976-Dezember 1980 Léon Charles Van Hove (1924-1990, Belgien, Direktor für Forschung
• Januar 1981 -Dezember 1988 Herwig Franz Schopper (*1924), Deutschland
• Januar 1989 -Dezember 1993 Carlo Rubbia (*1924), Italien
• Januar 1994 -Dezember 1998 Christopher Hubert Llewellyn Smith (*1942), Großbritannien
• Januar 1999 -Dezember 2003 Luciano Maiani (*1941), Italien
• Januar 2004 -Dezember 2008 Robert Aymar (*1936), Frankreich

Literatur

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

Weblinks

• Homepage des CERN
• CERN Einführung (englisch)
• Das COMPASS-Experiment (englisch)
• Das CNGS Experiment (englisch)
• ISOLDE (englisch)
• Homepage von LHC@Home, einem Projekt zum verteilten Rechnen, das Daten und Simulationen vom LHC auswertet

Siehe auch

• Liste der Kernforschungsanlagen und Teilchenbeschleuniger , World Wide Grid