CERN

CERN — это крупнейшая в мире лаборатория физики высоких энергий, расположенная на границе Швейцарии и Франции, вблизи Женевы. Полное официальное название организации — Европейская организация по ядерным исследованиям (фр. Organisation européenne pour la recherche nucléaire). CERN занимается фундаментальными исследованиями структуры материи и субатомных частиц, а также разработкой и эксплуатацией ускорителей заряженных частиц и детекторов. Основан в 1954 году, объединяет 23 государства-члена (по состоянию на 2025 год), штаб-квартира находится в швейцарском городе Мерен (фр. Meyrin).

История

Предпосылки создания

После Второй мировой войны в Европе возникла необходимость в возрождении научного потенциала и создании международной исследовательской инфраструктуры. В 1949 году французский физик Луи де Бройль предложил идею создания европейской лаборатории ядерной физики. В 1951 году была учреждена временная организация — Европейский совет по ядерным исследованиям (фр. Conseil européen pour la recherche nucléaire, сокращённо CERN). Хотя официально организация получила это название позднее, аббревиатура CERN осталась неизменной.

Подписание конвенции и строительство

29 сентября 1954 года 12 европейских стран подписали Конвенцию об учреждении Европейской организации по ядерным исследованиям. Первоначальными членами стали Бельгия, Великобритания, Греция, Дания, Западная Германия (ФРГ), Италия, Нидерланды, Норвегия, Франция, Швейцария, Швеция и Югославия. Строительство первого ускорителя — синхроциклотрона — началось в 1954 году, а его запуск состоялся в 1957 году.

Развитие ускорительного комплекса

На протяжении своей истории CERN последовательно строил всё более мощные ускорители. В 1959 году заработал Протонный синхротрон (PS) с энергией 28 ГэВ. В 1971 году был введён в строй протонный суперсинхротрон (SPS) с энергией 300 ГэВ (позднее модернизирован до 450 ГэВ). В 1981–1983 годах SPS использовался как коллайдер для открытия W– и Z-бозонов, за что в 1984 году была присуждена Нобелевская премия по физике Карло Руббиа и Симону ван дер Меру. В 1989 году начал работу Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP), который эксплуатировался до 2000 года. Его преемником стал Большой адронный коллайдер (LHC), запущенный 10 сентября 2008 года.

Организационная структура и членство

CERN управляется Советом, в который входят по два представителя от каждого государства-члена. Исполнительным органом является Генеральный директор, назначаемый Советом на пятилетний срок. Основной бюджет формируется из взносов стран-участниц, пропорциональных их ВВП. В 2023 году годовой бюджет CERN составлял около 1,3 миллиарда швейцарских франков. Организация имеет статус наблюдателя при ООН. Россия являлась ассоциированным членом с 2012 года, однако в марте 2022 года из-за событий на Украине сотрудничество было приостановлено, а в декабре 2023 года статус наблюдателя утрачен.

Ускорительный комплекс

CERN представляет собой каскад ускорителей, расположенных в подземных туннелях кольцевой формы. Основные элементы:

Линейные ускорители и бустеры

• Linac4 — источник протонов (на смену Linac2 с 2020 года).
• Бустер протонного синхротрона (PSB) — повышает энергию протонов до 1,4 ГэВ.

Кольцевые ускорители

• Протонный синхротрон (PS) — ускоряет протоны до 28 ГэВ.
• Суперпротонный синхротрон (SPS) — ускоряет до 450 ГэВ.
• Большой адронный коллайдер (LHC) — основной ускоритель, расположенный в туннеле длиной 27 км на глубине от 50 до 175 м. Ускоряет встречные пучки протонов до энергии 6,8 ТэВ на пучок (общая энергия столкновения 13,6 ТэВ). Также используется для столкновений ионов свинца.

Детекторы LHC

На LHC установлены четыре крупных детектора:

• ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) — многоцелевой детектор, один из двух, участвовавших в открытии бозона Хиггса.
• CMS (Compact Muon Solenoid) — компактный соленоидальный детектор, второй «хиггсовский» детектор.
• ALICE (A Large Ion Collider Experiment) — специализированный детектор для изучения кварк-глюонной плазмы в столкновениях ионов.
• LHCb (Large Hadron Collider beauty) — детектор для исследования b-кварков и CP-нарушения.

Достижения и открытия

Подтверждение Стандартной модели

CERN сыграл ключевую роль в экспериментальной проверке Стандартной модели физики частиц. В 1973 году в камере «Гаргамель» были обнаружены нейтральные токи — первое экспериментальное подтверждение единой теории электрослабого взаимодействия. В 1983 году открыты W– и Z-бозоны — переносчики слабого взаимодействия.

Открытие бозона Хиггса

4 июля 2012 года коллаборациями ATLAS и CMS было объявлено об открытии новой частицы с массой около 125 ГэВ, свойства которой соответствовали предсказанному более 40 лет назад бозону Хиггса. За это открытие Питер Хиггс и Франсуа Энглер (теоретики, предсказавшие механизм) получили Нобелевскую премию 2013 года.

Исследование антиматерии

CERN располагает уникальной установкой — Антипротонным замедлителем (AD), где производятся и изучаются атомы антиводорода. В 2011 году эксперимент ALPHA впервые удержал атомы антиводорода в магнитной ловушке. Цель — сравнение свойств материи и антиматерии для объяснения барионной асимметрии Вселенной.

Создание Всемирной паутины

Одним из важных прикладных результатов деятельности CERN стало изобретение Всемирной паутины (World Wide Web). В 1989 году британский учёный Тим Бернерс-Ли, работавший в CERN, предложил концепцию гипертекстовой системы для обмена информацией между учёными. Первый веб-сайт был запущен 6 августа 1991 года. CERN передал технологию в общественное достояние без лицензионных отчислений.

Критика и вызовы

Финансовые затраты

Строительство и эксплуатация LHC обошлись в миллиарды долларов (строительство — около 4,6 млрд швейцарских франков). Оппоненты указывают на высокую стоимость фундаментальных исследований, которые могут не иметь прямого прикладного применения. Сторонники парируют это тем, что проект WWW и разработки в области сверхпроводников, медицинской физики (адронная терапия) окупают вложения.

Возможные риски

В прессе периодически возникали спекуляции о том, что столкновения частиц на LHC могут создать микроскопическую чёрную дыру или иные опасные объекты. Несколько групп подавали иски в суды США и Европы с требованием остановить коллайдер. Однако специальные отчёты по безопасности (например, доклад LSAG 2008 года) показали, что энергия столкновений недостаточна для образования стабильных чёрных дыр, а любые гипотетические микроскопические объекты мгновенно распадаются.

Научная кооперация и образование

CERN сотрудничает с тысячами учёных из более чем 100 стран. При организации действует программа летних стажировок для студентов, а также образовательный центр CERN Science Gateway, открытый в 2023 году. Ежегодно лабораторию посещают десятки тысяч туристов и школьников. CERN также участвует в разработке технологий для будущих ускорителей, в частности, проекта Future Circular Collider (FCC) — потенциального преемника LHC с длиной окружности 90–100 км.

Источники

• Конвенция об учреждении Европейской организации по ядерным исследованиям (1954).
• Отчёты CERN о деятельности (годовые публикации).
• CERN Press Release: «CERN experiments observe particle consistent with long-sought Higgs boson» (4 July 2012).
• Tim Berners-Lee, «Information Management: A Proposal» (CERN, 1989).
• LSAG Safety Report: «Review of the Safety of LHC Collisions» (CERN, 2008).
• Официальный сайт CERN (www.home.cern).