Europäisches Kernforschungslabor

Aufbau der gegenwärtigen Anlage

Übersicht des Geländes

Magnetstruktur des Detektors ATLAS

Das CERN (auch der CERN wegen frz. le conseil = der Rat), die Europäische Organisation für Kernforschung (die Abkürzung CERN leitet sich vom früheren franz. Namen Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire ab), ist eine Großforschungseinrichtung in der Nähe von Genf in der Schweiz.

Zweck

Am CERN wird vielfältige physikalische Grundlagenforschung betrieben, bekannt ist es vor allem für seine großen Teilchenbeschleuniger.

Derzeit hat das CERN 20 Mitgliedstaaten. Mit seinen etwa 3.400 Mitarbeitern (Stand: 31. Dezember 2007) ist das CERN das weltgrößte Forschungszentrum auf dem Gebiet der Teilchenphysik. Über 8.000 Gastwissenschaftler aus 85 Nationen arbeiten an CERN-Experimenten.^[1] Das Jahresbudget des CERN beläuft sich 2008 auf ungefähr 1,1 Milliarden CHF (694 Millionen Euro).^[2]

Mit den Teilchenbeschleunigern des CERN wird die Zusammensetzung der Materie erforscht, indem Teilchen fast auf Lichtgeschwindigkeit 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 mit enormem technischen Aufwand für den Betrieb und mit extremen Rechenleistungen zur Datenauswertung verbunden. Auf Grund des Aufwandes ist das Großforschungsprojekt ein international finanziertes Projekt. Teile der Beschleunigeranlagen sind unter anderem das Super Proton Synchrotron (SPS) für die Vorbeschleunigung und der Large Hadron Collider (LHC; Großer Hadronen-Speicherring) für die eigentlichen Experimente.

Lage

Das Hauptgelände des CERN liegt bei Meyrin (Kanton Genf) in der Schweiz, nahe der Grenze zu Frankreich; Teile der Beschleunigerringe und auch einige unterirdische Experimentierplätze befinden sich geografisch auf französischem Staatsgebiet, gehören aber trotzdem administrativ zur Schweiz.

Rechtliche Situation

Von der UNESCO wurde das Gebiet des CERN als exterritoriales Gebiet ausgewiesen. Aufgrund von Sitzabkommen des CERN mit der Schweiz und Frankreich gilt hier kein nationales Recht.^[3][4]

Das CERN hat damit, wie auch das Europäische Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL) als internationales Forschungszentrum eine besondere Stellung. Das oberste Entscheidungsgremium der Organisation ist der Rat des CERN, in welchen alle Mitgliedsstaaten gleichermaßen jeweils zwei Delegierte entsenden: einen Repräsentanten der Regierung und einen Wissenschaftler.^[5]

Organisation

Mitgliedstaaten

Zahlende Mitglieder des CERN

██ Gründerstaaten

██ späterer Beitritt

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

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

Finanzierung (Budget 2008)

Mitgliedsland	Anteil	Mio. CHF
Deutschland	19,40 %	208
Vereinigtes Königreich	17,35 %	186
Frankreich	14,92 %	160
Italien	11,43 %	122
Spanien	8,34 %	89
Niederlande	4,51 %	48
Schweiz	3,03 %	32
Belgien	2,74 %	29
Norwegen	2,70 %	29
Schweden	2,56 %	27
Polen	2,30 %	24
Oesterreich Österreich	2,19 %	23
Griechenland	1,83 %	19
Dänemark	1,82 %	19
Finnland	1,40 %	15
Portugal	1,12 %	12
Tschechien	0,96 %	10
Ungarn	0,83 %	9
Slowakei	0,37 %	4
Bulgarien	0,20 %	2

Wechselkurs: 1 CHF = 0,672 EUR (2. Januar 2009)

Beobachterstatus und Nichtmitglieder

Beobachterstatus haben gegenwärtig die Europäische Kommission, Indien, Israel, Japan, Russland, die Türkei, die USA sowie die UNESCO.

Weitere 35 Staaten sind als Nichtmitglieder an CERN-Programmen beteiligt.

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-Laboratoriums durch Felix Bloch, den ersten regulären Generaldirektor des CERN.

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, die geplanten Protonen-Speicherringe, Intersecting Storage Rings (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

LEAR - Hier wurden 1996 im CERN erstmals Antiwasserstoffatome erzeugt.

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. 1996 wurden am LEAR-Speicherring (Low Energy Antiproton Ring) erstmals Antiwasserstoffatome 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 im Jahr 2000 abgeschaltet wurde. Noch im selben Jahr hatte es einen ersten Hinweis auf die Entstehung eines Quark-Gluon-Plasmas am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) 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, ebenso begann die Datenaufnahme im COMPASS-Experiment. Mit mehreren Staaten, die nicht zu CERN gehören, wurden Kooperationsvereinbarungen für die LHC-Nutzung abgeschlossen, bisher mit Indien, Japan, Kanada, Russland und den USA.

Am LHC sollen Energien erreicht werden, die in herkömmlichen Teilchenbeschleunigern bisher nicht möglich waren (bis 14 TeV). Die sind für die Suche nach dem Higgs-Boson, sowie schweren supersymmetrischen Teilchen notwendig; weiterhin für die genauere Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas.

Damit Kollisionen bei sehr hohen Energien durchgeführt werden können, muss der Speicherring auf Betriebstemperatur heruntergekühlt und dann kontrolliert hochgefahren werden. Am 8. August 2008 wurden die ersten Protonen in den LHC geschossen, am 10. September 2008 folgte der erste offizielle Rundumlauf von Protonen. Noch vor dem 21. Oktober 2008 sollte es zu den ersten Protonen-Kollisionen kommen; dieser Termin konnte jedoch auf Grund der erzwungenen Abschaltung nach einem Problem nicht eingehalten werden. Voraussichtlich im September 2009^[6] werden die Teilchenstrahlen dann mit voller Energie aufeinanderprallen. Dabei sollen Temperaturen entstehen, die 100.000 mal heißer sind, als es im Inneren der Sonne ist.

Generaldirektoren

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

Forschungsanlagen

Beschleuniger

Linearbeschleuniger im CERN

• Protonen-Linearbeschleuniger (Linac2)
• Schwerionen-Linearbeschleuniger (Linac3)
• Proton Synchrotron Booster (PSB)
• Proton Synchrotron (Protonen-Synchrotron, PS)
• Synchro-Cyclotron (Synchro-Zyklotron, außer Betrieb)
• Super Proton Synchrotron (SPS)
• Intersecting Storage Rings (Speicherringe, ISR, außer Betrieb)
• Low Energy Antiproton Ring (LEAR, außer Betrieb)
• Low Energy Ion Ring (LEIR)
• Antiproton Decelerator (AD)
• Large Electron-Positron Collider (LEP, außer Betrieb)
• Large Hadron Collider (LHC)

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 Wismutgermanat (BGO) 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, zum Beispiel Blei, bei denen extreme Energiedichten eintreten. Ionen, mit denen das Quark-Gluon-Plasma erzeugt werden soll, werden aber erst am Ende der Laufzeit von LHC eingesetzt.

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

• 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 (so genannte WIMPs), die als Hauptkandidaten für „Dunkle Materie“ gelten (siehe auch: Primakoff-Effekt).

Daneben gibt es noch eine Vielzahl kleinerer Experimente.

Sonstiges

Computertechnik

Rechenzentrum im CERN

Server im Rechenzentrum von CERN

Am CERN wurde unter anderem auch die Idee des World Wide Web von Tim Berners-Lee auf den Weg gebracht.^[7]

Derzeit ist man am CERN intensiv an der Entwicklung eines World Wide Grid beschäftigt, einem System für verteiltes Rechnen. Dieses wird benötigt, um die ungeheuren Datenmengen, die ab Juni 2009 an den drei großen Experimenten (ATLAS, CMS, LHCb) des LHC anfallen, zu verarbeiten.

CERN in der Literatur

• In Dan Browns Roman Illuminati wird im CERN ein Wissenschaftler ermordet und Antimaterie gestohlen.
• In Thomas Thiemeyers Roman Magma will der Wissenschaftler Elias Weiszmann vom CERN seine Kollegin Dr. Ella Jordan daran hindern, mehr über die geheimnisvollen, seismisch aktiven Steinkugeln herauszufinden, die die Erde bedrohen.
• Thomas Lehrs Roman 42 handelt von einer fünfjährigen Erstarrung der Teilchen der Welt, ausgelöst durch einen Unfall im CERN.
• In Frank Borschs Roman Alien Earth – Phase 1 wird vorgeschlagen, die stillgelegten Beschleuniger des CERN als Waffe gegen die Aliens zu verwenden.
• Außerdem spielt CERN 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.

Siehe auch

• Liste der Kernforschungsanlagen und Teilchenbeschleuniger
• World Wide Grid

Einzelnachweise

1. ↑ Personalstatistik des CERN (pdf, engl.)
2. ↑ Beitragszahlungen der Mitgliedsländer, Budgetreport, Sommer 2007 (PDF-Datei)
3. ↑ Abkommen mit der Schweiz (1955)
4. ↑ Abkommen mit Frankreich (Fassung 1965)
5. ↑ CERN - Organisation
6. ↑ http://www.golem.de/0902/65160.html
7. ↑ Welt der Physik: World Wide Web

Literatur

• Hannelore Dittmar-Ilgen: 50 Jahre CERN – Ein Beitrag Europas für die Zukunft. In: Naturwissenschaftliche Rundschau. 57, 12, Stuttgart 2004, ISSN 0028-1050, S. 653–660.
• Rolf Landua: Am Rande der Dimensionen. Gespräche über die Physik am CERN. Suhrkamp, Frankfurt am Main 2008, ISBN 3-518-26003-0.

Weblinks

• Publikumsseite des CERN (englisch/französisch)
• Ausführliche Seite über das CERN mit vielen Einzelartikeln und Filmen
• Umfangreiches Dossier zu CERN mit vielen Radiobeiträgen
• Was ist das CERN? – Interview mit einem CERN-Physiker über das CERN, den LHC und die Suche nach HIGGS vom 6. März 2008

46.2333333333336.04916666666677Koordinaten: 46° 14′ 0″ N, 6° 2′ 57″ O; CH1903: (492816 / 121161)