CERN

CERN blev oprettet i 1954 af 12 lande, bl.a. på Niels Bohrs foranledning, som et bidrag til genoprettelsen af Europas forskningsposition efter 2. Verdenskrig ved at udvikle og anvende avanceret apparatur af en størrelsesorden, der oversteg et enkelt lands formåen. Det var desuden ambitionen at etablere et fredeligt fælleseuropæisk samarbejde om grundforskning med henblik på undersøgelse af stoffets inderste dele og de kræfter, som virker imellem dem.

Det har fra organisationens start været et mål at virke for fredeligt og åbent samarbejde (Science for Peace). CERNs primære formål i dag er partikelfysisk forskning, selvom der også er betydelige aktiviteter inden for andre grene af fysikken såsom atom-, faststof- og kernefysik og avanceret data opsamling og analyse (Big Data).

Foruden at bidrage til grundforskningen spiller CERN en vigtig rolle i uddannelsen af forskere og studerende gennem kontakten til universiteterne og industrien i form af fælles udviklingsprojekter og ordrer. CERN har virket som en drivkraft i udviklingen af open access publicering af videnskabelige resultater (SCOAP3).

CERN har 23 europæiske medlemslande (deriblandt Danmark) og ca. 2600 ansatte, der sammen med 15.000 fysikere fra medlemslandene og resten af verden udfører eksperimenter på laboratoriet i Genève. Desuden er et antal lande (7) associerede medlemmer, og nogle (3) er i forstadiet til fuldt medlemskab.

CERN‘s årlige budget var i 2023 på ca. 1480 millioner schweizerfranc. Størrelsen af de enkelte landes bidrag er afhængigt af deres nationalprodukt; Danmark således 1,86 %, en post der optræder på finansloven.

CERN’s øverste myndighed er Council (Rådet), hvori hvert medlemsland har én stemme og er repræsenteret ved 2 nationale delegater (én ministeriel og én videnskabelig). Council rådgives af en videnskabelig (SPC, Science Policy Committee) og en finansiel (FC, Finance Committee) komité.

Medlemsbidragene til CERN går til at udvikle, opbygge og drive acceleratoranlæggene og den dertil knyttede højteknologiske forskning, bl.a inden for superledning, meget lave temperaturer (kryogenik), meget høje magnetfelter, og ultra høj vacuum. Derimod er selve fysikforskningen og de mange eksperimenter, der udnytter CERN‘s installationer, ikke dækket af medlemsbidraget, men skal finansieres af forskningsbevillinger i medlemslandene (forskningsråd, private fonde mm.). Dog bidrager CERN til eksperimenterne med typisk 20% af omkostningerne. I Danmark er der etableret en følgeforsknings ordning til at fremme adgangen og udnyttelsen af CERN for danske forskere. Til dette formål er der etableret et Nationalt Infrastruktur Center for CERN Eksperimenter, kaldet NICE, der drives af danske CERN fysikere og finansieres af Uddannelses- og Forsknings-Styrelsen.

Adgangen til CERNs faciliteter følger ikke nationale kvoter, men gives efter en faglig udvælgelse. Forslag til nye forskningsprogrammer accepteres alene på grundlag af deres videnskabelige kvaliteter. Grupper fra ikke-medlemslande har også adgang. De fleste eksperimenter foretages i dag af store samarbejdende grupperinger af fysikere fra forskellige universiteter og lande. De største eksperimentelle kollaborationer tæller i dag over 3000 forskere.

Indtil 1981 var USA det førende land inden for partikelfysik, men siden har CERN og Europa overtaget denne førerposition takket være en målrettet udbygning af laboratoriets acceleratorkompleks. Den første accelerator på CERN var SC (Synchro Cyclotron), som i dag er nedlagt. Samtidig færdiggjorde man i 1959 PS (Proton Synchrotron), der i flere år var den største accelerator i verden. I dag indgår PS som en del af det samlede acceleratorkompleks og leverer stråler til ISOLDE faciliteten.

Da lagerringen ISR (Intersecting Storage Ring) blev bygget i 1971, blev CERN udvidet ind i Frankrig. ISR var indtil 1981 den accelerator, der havde den højeste energi. ISR blev nedlagt i 1983. Alle senere udbygninger er sket i nye områder i Frankrig. I 1972 blev der gjort en vigtig opdagelse, som antydede eksistensen af Z-bosonen, der var blevet foreslået teoretisk nogle år tidligere. Den næste accelerator var i 1974 SPS (Super Proton Synchrotron), der i 1981 blev ombygget til en antiproton-proton lagerring. SPS ligger i en 7 km lang underjordisk tunnel. Det var med SPS, at man i 1983 fandt W- og Z-bosonerne.

I 1989 stod den 27 km lange underjordiske elektron-positron lagerring LEP (Large Electron Positron) færdig. LEP var da verdens største videnskabelige instrument. LEP blev lukket ned i 2000 for at give plads i den underjordiske tunnel til den superledende LHC Large Hadron Collider, der kan accelerere og kollidere protoner og ligeledes forskellige tunge atomkerner (tunge ioner), ved de højeste kollisions energier i verden.

LHC, begyndte at accelerere protoner i 2008, men den regulære drift startede først i 2010 efter et teknisk uheld i en sektor af de superledende magneter, der udsatte driftstarten med et år. Siden da har LHC konstant forøget intensiteten af strålerne (luminositeten) og overgået design specifikationerne.

I 1984 fik to CERN-medarbejdere, Carlo Rubbia og Simon van der Meer, nobelprisen i fysik for idéerne, der gjorde opdagelsen af W og Z partiklerne mulig. En anden medarbejder, George Charpak, fik i 1992 nobelprisen i fysik for udviklingen af trådkammeret, som siden 1970 har været et af partikelfysikernes vigtigste instrumenter.

I 2012 opdagedes ved CERN den tidligere postulerede Higgs-partikel. Opdagelsen førte allerede året efter, i 2013, til tildelingen af nobel prisen til to fysikere Peter Higgs og François Englert der i 1964, sammen med 3 andre teoretiske fysikere, havde forudsagt eksistensen af et særligt felt og den dertil knyttede partikel (senere kaldet Higgs-feltet og -bosonen) der ville kunne forklare de fleste elementarpartiklers masse.

CERN's accelerator kompleks består af en række forskellige acceleratorer der kan producere stråler (beams) af partikler ved forskellige energier. Nogle af acceleratorerne er lineære, andre er cirkulære og fungerer som lagerringe.

Figuren viser en skematisk tegning af accelerator anlægget ved CERN.

Protoner der skal accelereres i LHC, starter typisk som H- ioner (negative brint ioner) der accelereres i Linac4 til 160 MeV. Efter stripning (afrivning af to elektroner) fortsætter H-kernerne (protoner) i PS boosteren (PSB) og accelereres til 2GeV og videre til PS, der bringer energien op til 26GeV. Derefter injiceres protonerne i SPS, der bringer energien pr. partikel op til 450 GeV. Herefter kan partiklerne injiceres i to modsat rettede baner i LHC, der bringer energien op på 6.5 TeV. Når to modsat rettede protoner bringes til at kollidere er den tilgængelige energi i tyngdepunktssystemet oppe på 13 TeV.

For tunge ioner af bly (²⁰⁸Pb) kan man opnå tyngdepunktsenergier pr. nukleonpar på ca. 5,125 TeV, svarende til en total energi i tyngdepunktssystemet på ca. 1.066 PeV, den højeste kollisions energi skabt under jordiske forhold.

CERN's forskningsprogram sigter bredt inden for højenergifysik, dvs, partikel- og kernefysik. Installationen er den førende inden for det, der kaldes 'the energy frontier'.

Et hovedsigte i partikelfysikforskningen er at udføre præcisionsmålinger af Standard Modellen (SM) og lede efter afvigelser fra den og eventuelle tillæg til den, der kunne vidne om ny fysik (BSM= Beyond the Standard Model). To meget store eksperimentelle kollaborationer, ATLAS og CMS studerer primært proton-proton kollisioner. ATLAS og CMS kollaborationerne opdagede i 2012 Higgs-bosonen, der således fuldendte Standard Modellen..

LHCb kollaborationen benytter sig af kollisioner mellem beam partiklerne og partikler fra et gas-target og studerer effekter der bryder symmetrien mellem partikler og antipartikler.

En anden hovedlinje ved LHC studerer kollisioner mellem tunge atomkerner (tunge ioner, for eksempel bly-bly, xenon-xenon) med ALICE detektoren. Formålet er at danne og studere egenskaberne for quark-gluon-plasma (QGP), en særlig tilstand af stoffet der består af quarks (på dansk kvarker) og gluoner, og som man mener Universet bestod af i den første milliontedel sekund efter Big Bang.

Danske fysikere fra især Niels Bohr Institutet, København Universitet og Institut for Fysik og Astronomi, Aarhus Universitet har siden starten af CERN været med til at forme de videnskabelige programmer ved CERN, hvortil de har bygget og drevet en række vigtige detektorsystemer og udviklet avancerede analyse metoder.

Fra 1983 deltog Niels Bohr Institutet i LEP-eksperimenterne ALEPH og DELPHI, som bidrog væsentligt til efterprøvningen af partikelfysikkens standardmodel (SM) bl.a. gennem studier af Z-bosonen og de partikler, den henfalder til.

To forskergrupper fra Niels Bohr Institutet deltager henholdsvis i ALICE og ATLAS eksperimenterne, der har indsamlet data siden 2010. Til ALICE har tungion gruppen bl.a. udviklet en Si-halvleder strip detektor med 51200 måleenheder (med den største kinematiske dækning blandt LHC eksperimenterne), et komplekst laser system til det elektroniske sporingskammer (TPC), en trigger detektor med ultrahøjreorienterede tidsopløsning (FIT) og er igang med at udvikle et nyt forlæns kalorimeter (FOCAL) til at studere gluon-fordelinger. Til ATLAS har partikel gruppen udviklet dele af TRT (Transition Radiation Tracker) detektoren og bidrager nu til en ny inner tracker (ITk) der kan håndtere den stærkt forøgede kollisionsrate, som vil følge med HiLumi-LHC opgraderingen.

Det Fysiske Institut i Aarhus deltager i en række eksperimenter ved CERN, der benytter sig af kollisioner mellem accelererede beams og faste mål (targets), bl.a. ISOLDE gruppen der studerer kernereaktioner mellem ustabile projektiler og NA63 eksperimentet der studerer atomare effekter ved ekstreme elektromagnetiske felter i krystaller. En gruppe fra Aarhus har leder ALPHA eksperimentet, der syntetiserer anti-hydrogen (anti-atomet til almindelig brint) og studerer, hvorledes antibrint opfører sig elektromagnetisk og under indflydelse af tyngdekraften.

• CERN's hjemmeside
• Alice's hjemmeside
• ATLAS' hjemmeside
• ISOLDE's hjemmeside