Европейский центр ядерных исследований

Европейский центр ядерных исследований (CERN, от фр. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) — крупнейшая в мире лаборатория физики высоких энергий, расположенная на границе Швейцарии и Франции, вблизи Женевы. Организация была основана в 1954 году 12 европейскими государствами с целью объединения усилий для фундаментальных исследований в области ядерной физики и физики элементарных частиц. На сегодняшний день CERN объединяет 23 страны-участницы и сотрудничает с десятками государств по всему миру, включая Россию. Основным инструментом центра является Большой адронный коллайдер (БАК) — самый мощный ускоритель заряженных частиц в истории.

История

Предпосылки создания

После Второй мировой войны европейская наука находилась в упадке. Ведущие физики эмигрировали в США, где были построены мощные ускорители. В 1949 году на Европейской конференции по культуре в Лозанне французский физик Луи де Бройль и итальянский учёный Пьеро Кальдирола выдвинули идею создания единой европейской лаборатории. В 1951 году ЮНЕСКО поддержала этот проект, и 29 сентября 1954 года 12 стран (Бельгия, Великобритания, Греция, Дания, Италия, Нидерланды, Норвегия, Франция, ФРГ, Швейцария, Швеция, Югославия) подписали соглашение о создании CERN.

Первые ускорители

Первым крупным проектом стал синхроциклотрон (SC), запущенный в 1957 году. Он разгонял протоны до энергии 600 МэВ и использовался для исследований в области ядерной физики. В 1959 году был введён в строй Протонный синхротрон (PS) с энергией 28 ГэВ, который на тот момент являлся самым мощным ускорителем в мире. В 1971 году заработал Суперпротонный синхротрон (SPS) с энергией 450 ГэВ, на котором в 1983 году были открыты W- и Z-бозоны — переносчики слабого ядерного взаимодействия.

Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP)

С 1989 по 2000 год в CERN работал Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP), расположенный в 27-километровом туннеле. Он сталкивал электроны и позитроны с энергией до 209 ГэВ. На LEP были проведены прецизионные измерения параметров электрослабого взаимодействия, подтвердившие Стандартную модель физики элементарных частиц.

Большой адронный коллайдер (БАК)

В 2008 году в том же туннеле был запущен Большой адронный коллайдер (БАК) — протон-протонный коллайдер с проектной энергией столкновений 14 ТэВ. 4 июля 2012 года на БАК было объявлено об открытии бозона Хиггса — частицы, отвечающей за механизм приобретения массы элементарными частицами. За это открытие Питер Хиггс и Франсуа Энглер получили Нобелевскую премию по физике в 2013 году.

Устройство и инфраструктура

Ускорительный комплекс

CERN представляет собой каскад ускорителей, каждый из которых увеличивает энергию частиц перед подачей в следующий. Основные элементы:

• Линейный ускоритель 4 (Linac4) — источник протонов с энергией 160 МэВ.
• Бустер (PSB) — разгоняет протоны до 1,4 ГэВ.
• Протонный синхротрон (PS) — до 28 ГэВ.
• Суперпротонный синхротрон (SPS) — до 450 ГэВ.
• Большой адронный коллайдер (БАК) — до 6,8 ТэВ на пучок (в 2023 году).

Детекторы

На БАК установлены четыре основных детектора:

• ATLAS — многоцелевой детектор, участвовавший в открытии бозона Хиггса.
• CMS — компактный мюонный соленоид, второй детектор для поиска Хиггса.
• ALICE — детектор для изучения кварк-глюонной плазмы.
• LHCb — детектор для исследования CP-нарушения и редких распадов B-мезонов.

Вычислительная инфраструктура

CERN является пионером в области обработки больших данных. В 1990 году Тим Бернерс-Ли, работая в CERN, изобрёл Всемирную паутину (World Wide Web). Сегодня данные с БАК обрабатываются через глобальную сеть GRID (WLCG), объединяющую более 170 вычислительных центров в 42 странах.

Научные достижения

Открытия

• W- и Z-бозоны (1983) — подтверждение электрослабой теории.
• Бозон Хиггса (2012) — последняя недостающая частица Стандартной модели.
• Экзотические адроны — тетракварки и пентакварки, обнаруженные в 2010-х годах.
• Антиматерия — в 1995 году в CERN впервые синтезированы атомы антиводорода.

Технологические разработки

• Медицинская физика — протонная терапия для лечения рака (на базе технологий ускорителей).
• Детекторы — технологии, используемые в медицинской визуализации (ПЭТ-сканеры).
• Материаловедение — методы радиационного тестирования электроники.

Современное состояние и будущие проекты

Модернизация БАК

В 2023 году БАК возобновил работу после трёхлетней модернизации (Run 3). Энергия столкновений увеличена до 13,6 ТэВ, а светимость — в 2 раза. Планируется, что до 2025 года будет накоплено в 2 раза больше данных, чем за все предыдущие сеансы.

Будущие проекты

• Будущий циркулярный коллайдер (FCC) — проект 100-километрового кольца, который может заменить БАК в 2040-х годах. Энергия столкновений — до 100 ТэВ.
• Линейный коллайдер (CLIC) — проект электрон-позитронного коллайдера с энергией до 3 ТэВ.
• Мюонный коллайдер — теоретическая концепция, позволяющая достичь энергии 10 ТэВ и выше.

Участие России

Россия является ассоциированным членом CERN с 2012 года. Российские институты (НИЦ «Курчатовский институт», ИЯИ РАН, ОИЯИ в Дубне) участвуют в создании детекторов ATLAS, CMS, ALICE и LHCb. В 2022 году, после начала военного конфликта на Украине, CERN приостановил статус России как ассоциированного члена, но сотрудничество по отдельным проектам сохраняется. Российские учёные продолжают работать в составе коллабораций, финансируемых через международные гранты.

Критика и споры

Финансирование

CERN ежегодно тратит около 1,2 миллиарда швейцарских франков. Критики указывают на высокую стоимость экспериментов при отсутствии немедленных практических результатов. Сторонники отвечают, что фундаментальные исследования стимулируют развитие технологий (например, WWW).

Экологические риски

В 2008 году группа активистов подала иск в суд, утверждая, что БАК может создать чёрную дыру, которая уничтожит Землю. Научное сообщество опровергло эти опасения, указав на то, что космические лучи с гораздо большими энергиями сталкиваются с Землёй миллиарды лет без последствий.

Конфликт с Россией

После 2022 года CERN столкнулся с дилеммой: с одной стороны, научное сотрудничество требует нейтралитета, с другой — политическое давление привело к ограничению участия российских учёных. В 2023 году CERN объявил, что не будет продлевать соглашение о сотрудничестве с Россией после 2024 года.

Интересные факты

• В CERN работает около 2500 постоянных сотрудников, но более 13 000 учёных из 100 стран участвуют в экспериментах.
• В 1990 году в CERN был установлен первый веб-сервер — info.cern.ch.
• В 2010 году на БАК был установлен рекорд температуры: 5,5 триллионов градусов Цельсия (в 100 000 раз горячее, чем в центре Солнца).
• CERN потребляет около 1,3 ТВт·ч электроэнергии в год — примерно столько же, сколько город с населением 300 000 человек.

Источники

• CERN Annual Report 2023
• «The Large Hadron Collider: A Marvel of Technology» — L. Evans, 2018
• «The Higgs Boson: Discovery and Implications» — J. Ellis, 2013
• «CERN: 60 Years of Science» — M. Jacob, 2014
• «World Wide Web: The Invention That Changed the World» — T. Berners-Lee, 1999