Открыть сервис
Главная → Блог → ЦЕРН

ЦЕРН

ЦЕРН (от фр. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire — Европейский совет по ядерным исследованиям; официальное название — Европейская организация по ядерным исследованиям, CERN) — крупнейшая в мире лаборатория физики высоких энергий, расположенная на границе Швейцарии и Франции, вблизи Женевы. Организация была основана в 1954 году и объединяет 23 государства-члена. Основной задачей ЦЕРН является фундаментальное исследование структуры материи и взаимодействия элементарных частиц, а также разработка и эксплуатация ускорителей частиц и детекторов. Наиболее известным проектом организации является Большой адронный коллайдер (БАК).

История

Предпосылки создания

После Второй мировой войны европейская наука находилась в упадке. Ведущие физики, занимавшиеся ядерными исследованиями, эмигрировали в США. Для восстановления научного потенциала и предотвращения «утечки мозгов» группа выдающихся учёных, включая Луи де Бройля, Нильса Бора и Исидора Раби, выступила с инициативой создания единой европейской исследовательской организации. В 1951 году под эгидой ЮНЕСКО была подписана конвенция о создании временного Совета (CERN). Официально организация начала работу 29 сентября 1954 года.

Первые ускорители

Первым ускорителем ЦЕРН стал синхроциклотрон (SC), запущенный в 1957 году. Он разгонял протоны до энергии 600 МэВ и использовался для изучения ядерных реакций. В 1959 году был введён в строй Протонный синхротрон (PS) с энергией 28 ГэВ — на тот момент самый мощный ускоритель в мире. Именно на PS в 1968 году был открыт Ω-минус-гиперон, предсказанный «восьмеричным путём» Мюррея Гелл-Манна.

Эпоха SPS и открытие W- и Z-бозонов

В 1976 году начал работу Суперпротонный синхротрон (SPS) с энергией 400 ГэВ. В 1981 году он был переоборудован в протон-антипротонный коллайдер. В 1983 году на установках UA1 и UA2 были обнаружены W- и Z-бозоны — переносчики слабого взаимодействия. Это открытие подтвердило теорию электрослабого взаимодействия и принесло Карло Руббиа и Саймону ван дер Мееру Нобелевскую премию по физике 1984 года.

Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP)

С 1989 по 2000 год в ЦЕРН работал LEP — ускоритель, сталкивающий электроны и позитроны. Он позволил с высокой точностью измерить параметры Стандартной модели, в частности массу Z-бозона, и установил ограничение на количество поколений фундаментальных частиц (три). LEP располагался в тоннеле длиной 27 км, который впоследствии был использован для Большого адронного коллайдера.

Большой адронный коллайдер (БАК)

Строительство БАК началось в 1998 году, а первый пучок протонов прошёл по кольцу 10 сентября 2008 года. Однако через девять дней произошла авария, вызванная дефектом электрического соединения, что привело к утечке жидкого гелия и остановке на год. Полноценная работа на энергии 7 ТэВ началась в марте 2010 года. В 2012 году коллаборации ATLAS и CMS объявили об открытии бозона Хиггса, который предсказывался Стандартной моделью. За это открытие Франсуа Энглер и Питер Хиггс получили Нобелевскую премию 2013 года.

Организационная структура

ЦЕРН управляется Советом, в который входят по два представителя от каждого государства-члена. Один из них представляет правительство, другой — научное сообщество. Исполнительным органом является Генеральный директор, назначаемый Советом на пятилетний срок.

Государства-члены

По состоянию на 2024 год в ЦЕРН входят 23 страны: Австрия, Бельгия, Болгария, Великобритания, Венгрия, Германия, Греция, Дания, Израиль, Испания, Италия, Нидерланды, Норвегия, Польша, Португалия, Румыния, Сербия, Словакия, Финляндия, Франция, Чехия, Швейцария, Швеция. Статус ассоциированных членов имеют Индия, Литва, Пакистан, Турция, Украина, Хорватия, Эстония и другие. Россия имела статус наблюдателя с 1963 года, но в 2022 году, после начала полномасштабного вторжения в Украину, сотрудничество с российскими институтами было приостановлено, а статус наблюдателя — отозван. В 2024 году ЦЕРН объявил о прекращении действия соглашений о сотрудничестве с Россией (официально — с 30 ноября 2024 года).

Персонал и бюджет

В ЦЕРН работает около 2600 постоянных сотрудников. Однако в экспериментах участвуют более 12 000 учёных и инженеров из 580 университетов и институтов 85 стран. Годовой бюджет организации составляет около 1,2 миллиарда швейцарских франков (примерно 1,3 миллиарда долларов США). Взносы стран-членов рассчитываются пропорционально их ВВП.

Ускорительный комплекс

ЦЕРН управляет цепочкой ускорителей, которые последовательно повышают энергию частиц.

Линейный ускоритель Linac4

С 2020 года Linac4 служит источником протонов. Он разгоняет ионы водорода (H⁻) до энергии 160 МэВ. Затем пучок поступает в бустер (PSB), где разгоняется до 2 ГэВ.

Протонный синхротрон (PS)

PS разгоняет протоны до 26 ГэВ. Работает с 1959 года, но многократно модернизировался. Служит также источником пучков для экспериментов с фиксированной мишенью.

Суперпротонный синхротрон (SPS)

SPS разгоняет частицы до 450 ГэВ. Используется как последняя ступень перед инжекцией в БАК, а также для собственных экспериментов (например, COMPASS, NA62).

Большой адронный коллайдер (БАК)

БАК — самый мощный ускоритель в истории. Он расположен в тоннеле длиной 27 км на глубине от 50 до 175 метров. В кольце сталкиваются два встречных пучка протонов, каждый с энергией до 6,8 ТэВ (полная энергия столкновения — 13,6 ТэВ). Помимо протонов, БАК может сталкивать ионы свинца (энергия 2,76 ТэВ на нуклон). Магнитная система состоит из 1232 сверхпроводящих дипольных магнитов, охлаждаемых жидким гелием до температуры 1,9 К (-271,25 °C).

Планы по модернизации

В 2024–2026 годах БАК находится на длительном перерыве (LS3) для модернизации до состояния HL-LHC (High-Luminosity LHC). После запуска в 2029 году светимость коллайдера увеличится в 5–7 раз, что позволит изучать редкие процессы. В перспективе ЦЕРН разрабатывает проект Future Circular Collider (FCC) — кольцевого коллайдера длиной 100 км, который мог бы работать с энергией до 100 ТэВ. Решение о строительстве FCC ожидается в 2028 году.

Основные эксперименты

ATLAS и CMS

Два универсальных детектора, расположенных в противоположных точках кольца БАК. Они построены по разным техническим принципам, что позволяет перекрёстно проверять результаты. Именно на них был открыт бозон Хиггса. Детекторы регистрируют все типы частиц, образующихся при столкновениях: фотоны, электроны, мюоны, адроны.

ALICE

Специализированный детектор для изучения кварк-глюонной плазмы — состояния материи, существовавшего в первые микросекунды после Большого взрыва. ALICE анализирует столкновения ионов свинца.

LHCb

Детектор, изучающий асимметрию материи и антиматерии. LHCb измеряет распады B-мезонов и исследует CP-нарушение. В 2020-х годах эксперимент обнаружил несколько аномалий в распадах, которые могут указывать на новую физику за пределами Стандартной модели.

Другие эксперименты

Технологические достижения и прикладное значение

Всемирная паутина (WWW)

Одним из самых известных побочных результатов работы ЦЕРН стало изобретение Всемирной паутины. В 1989 году британский учёный Тим Бернерс-Ли предложил систему гипертекстовых документов для обмена информацией между учёными. Первый веб-сайт был запущен в ЦЕРН в 1991 году. В 1993 году ЦЕРН передал технологию в общественное достояние, что привело к стремительному развитию интернета.

Сверхпроводящие магниты

Разработка и производство сверхпроводящих ниобий-титановых магнитов для БАК стимулировала развитие технологий медицинской диагностики (МРТ) и энергетики (магнитное удержание плазмы в термоядерных реакторах).

Обработка данных и GRID

Для обработки петабайтов данных, генерируемых детекторами, ЦЕРН создал распределённую вычислительную инфраструктуру — GRID (LHC Computing Grid). Она объединяет тысячи компьютеров по всему миру и служит прототипом для «облачных» вычислений.

Медицина

Технологии ускорения частиц, разработанные в ЦЕРН, применяются в протонной терапии рака (лечение опухолей пучками протонов). В 2020-х годах ЦЕРН запустил проект «Next Ion Medical Machine Study» (NIMMS) для создания компактных ускорителей для адронной терапии.

Критика и этические вопросы

Стоимость и приоритеты

Критики (в том числе некоторые учёные) указывают на высокую стоимость проектов ЦЕРН (строительство FCC оценивается в 15–20 миллиардов долларов) и задаются вопросом, не следует ли направить эти средства на решение более насущных проблем, таких как изменение климата или борьба с болезнями. Сторонники отвечают, что фундаментальная наука — долгосрочная инвестиция, а технологии ЦЕРН уже приносят практическую пользу.

Экологические риски

Работа БАК потребляет около 200 МВт электроэнергии в год, что сопоставимо с потреблением небольшого города. ЦЕРН принимает меры по снижению углеродного следа (использование гидроэнергии, рекуперация тепла), но полностью устранить энергопотребление невозможно.

Теоретические опасения

В начале работы БАК в СМИ и судебных исках высказывались опасения, что столкновения частиц могут создать микроскопические чёрные дыры или «странную материю», способную уничтожить Землю. ЦЕРН неоднократно публиковал научные отчёты, доказывающие, что такие сценарии невозможны при энергиях БАК, так как природные столкновения космических лучей с атмосферой происходят при гораздо более высоких энергиях и не приводят к катастрофам.

Интересные факты

Источники

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →

Похожие материалы