CERN

ilustracija
CERN, tunel superprotonskog sinkrotona (S.P.S.)

CERN (akronim od franc. Conseil européen pour la recherche nucléaire: Europsko vijeće za nuklearna istraživanja; poslije Europski laboratorij za fiziku čestica), međunarodna institucija za nuklearna istraživanja kojoj su svrha fundamentalna istraživanja (bez izravnih tehnoloških ili komercijalnih ciljeva) na području fizike elementarnih čestica, osnovana 1954. CERN je najveći znanstveni laboratorij na svijetu, ima najsloženije znanstvene instrumente i druge uređaje potrebne za istraživanja. Najvažniji su instrumenti u CERN-u akceleratori i detektori čestica. U akceleratorima se čestice ubrzavaju gotovo do brzine svjetlosti i usmjeravaju na sudare. Promatranjem sudara s pomoću detektora dobivaju se podatci o međudjelovanju čestica. Sjedište je organizacije u Meyrinu kraj Ženeve. U članstvu je CERN-a 21 država, a s 38 država, među kojima je i Hrvatska, CERN ima ugovore o suradnji.

Akceleratori

Sustav akceleratora u CERN-u povezan je tako da snopovi čestica prelaze iz jednog akceleratora u drugi, a svaki sljedeći akcelerator ubrzava čestice do većih energija. Posljednji je i najveći akcelerator u nizu LHC. Čestice se ubrzavaju u vakuumiziranim cijevima, a njihovim se gibanjem upravlja s pomoću elektromagnetskih uređaja: dipolni magneti zakreću ih u kružnu putanju, kvadropolni magneti stišću snop čestica, a elektromagnetski rezonatori ubrzavaju čestice ili održavaju njihove energije na željenoj vrijednosti. Ubrzavati se mogu protoni ili jezgre olova. Atomi vodika uzimaju se iz boca tekućeg vodika i ioniziraju električnom strujom. Protoni se ubrzavaju u linearnom akceleratoru do 31,4% brzine svjetlosti, odnosno do energije 50 MeV, potom se ubrzavaju u akceleratorima: PS Booster (akronim od engl. Proton Synchrotron Booster: protonsko-sinkrotronski pojačivač), PS (akronim od engl. Proton Synchrotron: protonski sinkrotron), SPS (akronim od engl. Super Proton Synchrotron: super protonski sinkrotron) i na kraju u akceleratoru LHC, gdje pojedinačne čestice postižu približno 99,999 999% brzine svjetlosti, odnosno energiju od 7 TeV. Dobivanje jezgri olova koje se koriste za sudare složenije je od dobivanja protona. Olovne pare nastaju zagrijavanjem vrlo čistoga komada olova (izotop 208Pb) do temperature od približno 500 °C i ioniziraju se s pomoću struje elektrona. Tim postupkom pojedini atomi olova mogu izgubiti najviše 29 elektrona. Ioni olova ubrzani do energije od 4,2 MeV/u (energije po nukleonu) dodatno se ioniziraju prolaskom kroz ugljičnu foliju, gdje većinom gube po 54 elektrona. Dalje se ubrzavaju u akceleratorima LEIR (akronim od engl. Low Energy Ion Ring: niskoenergetski ionski prsten), PS i SPS. Nakon što postignu energiju od 5,9 GeV/u, prolaze kroz još jednu foliju i gube sve svoje elektrone. Kada postignu energiju od 177 GeV/u, prelaze u LHC i ubrzavaju se do energije od 2,76 TeV/u.

Detektori

U detektorima se prebrojavaju sudari, prepoznaju nastale čestice i određuju im se prostorni položaji, električni naboj, brzina, masa i energija. Detektori se sastoje od velikoga broja slojeva uređaja za praćenje tragova čestica nastalih ioniziranjem medija i od slojeva elektromagnetskih i hadronskih kalorimetara. Svaki sloj mjeri određena svojstva pojedinih vrsta čestica. Ako se uređaj za praćenje tragova nalazi u magnetskom polju, česticama koje imaju električni naboj može se mjeriti zakrivljenost putanje i tako im odrediti električni naboj i količina gibanja, npr. čestice pozitivnoga električnoga naboja svinut će svoje putanje na jednu, a čestice negativnoga električnoga naboja na drugu stranu, čestice velike količine gibanja neznatno će zakrenuti svoje putanje, a čestice male količine gibanja gibat će se u uskim spiralama. U uređajima za praćenje tragova ne vide se električki neutralne čestice, npr. fotoni i neutroni. Kalorimetri mjere energiju čestica tako što ih zaustavljaju. Izgrađeni su od različitih materijala, ovisno o vrsti čestica kojoj su namijenjeni, a glavni su instrument za prepoznavanje električki neutralnih čestica. Mioni i neutrini ne mogu biti detektirani u kalorimetrima. Mioni su jedine električki nabijene čestice koje mogu prijeći nekoliko metara kroz gustu tvar pa se mionske komore nalaze u vanjskim slojevima detektora. Oko najvećeg akceleratorskog prstena snopovi čestica sudaraju se na četirima mjestima, na kojima je postavljeno šest detektora: ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, LHCf i TOTEM. I ostali akceleratori imaju komore za pokuse u kojima se snopovi čestica sudaraju na nižim energijama.

ALICE (akronim od engl. A Large Ion Collider Experiment: eksperiment na velikom ionskom sudarivaču) detektor je specijaliziran za analiziranje sudara iona olova. S pomoću njega se proučavaju svojstva kvarkovsko-gluonske plazme, stanja tvari u kojem kvarkovi i gluoni, u uvjetima visoke temperature, nisu ograničeni (zatočeni) unutar prostora hadrona. Dugačak je 26 m, visok 16 m i širok 16 m, a masa mu je 10 000 tona.

ATLAS (akronim od engl. A Toroidal LHC Apparatus: toroidalni LHC aparat) višenamjenski je detektor projektiran za najširi mogući opseg istraživanja, od Higgsovih bozona do supersimetrije i dodatnih dimenzija. Sastoji se od supravodljivoga magneta dugačkog 25 m u obliku valjka oko cijevi sa snopom čestica koji prolazi kroz središte detektora. Dugačak je 46 m, visok 25 m i širok 25 m, a masa mu je 7000 tona.

CMS (akronim od engl. Compact Muon Solenoid: kompaktna mionska zavojnica) višenamjenski je detektor izgrađen oko goleme supravodljive zavojnice koja stvara magnetsko polje magnetske indukcije 4 T. Dugačak je 21 m, visok 15 m i širok 15 m, a masa mu je 12 500 tona.

LHCb (akronim od engl. Large Hadron Collider beauty: veliki hadronski sudarivač, ljepota) detektor je specijaliziran za istraživanje asimetrije između materije i antimaterije u međudjelovanjima B-čestica (čestica kojima su dijelovi b-kvarkovi). Dugačak je 21 m, visok 10 m, širok 13 m, mase 5600 tona.

LHCf (akronim od engl. Large Hadron Collider forward: veliki hadronski sudarivač, naprijed) mali je detektor za čestice nastale u sudarima protona vrlo blizu smjera snopova. Udaljen je 140 m od mjesta sudara unutar detektora ATLAS. Koristi se za provjeru modela kozmičkoga zračenja ultravelikih energija. Sastoji se od dvaju dijelova duljine 30 cm, visine i širine 10 cm, a svaki je dio mase 40 kg.

TOTEM (akronim od engl. Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation Measurement: mjerenje ukupnoga presjeka, elastičnog raspršenja i difrakcijske disocijacije) detektor je čestica nastalih vrlo blizu glavnih snopova protona. Njegovi su dijelovi smješteni u vakuumskim komorama povezanima s glavnim cijevima akceleratora. Osam komora raspoređeno je u parovima na četirima mjestima u blizini sudara detektora CMS. Dugačak je 440 m, visok 5 m, širok 5 m i mase 20 tona.

Najvažnija otkrića postignuta u CERN-u

1973. otkriće neutralnih struja (međudjelovanja elementarnih čestica slabom silom)
1983. otkriće W i Z bozona
1989. utvrđivanje broja neutrinskih vrsta
1995. prvo stvaranje atoma antivodika
1999. otkriće izravnog CP-narušenja (→ cp-simetrija)
2010. izolacija 38 atoma antivodika
2011. održavanje antivodika više od 15 minuta
2012. otkriće Higgsove čestice.

Za potrebe suradnje više od 10 000 fizičara CERN-a nastala je i razvijena (1989–95) svjetska mreža www.

CERN. Hrvatska enciklopedija, mrežno izdanje. Leksikografski zavod Miroslav Krleža, 2018. Pristupljeno 11.12.2018. <http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=11288>.