Jerzy BARTKE

 

CZYM JEST CERN

 

CERN - to Europejskie Laboratorium Fizyki Cząstek, największy ośrodek badawczy fizyki cząstek na świecie. Laboratorium położone jest na granicy szwajcarsko-francuskiej, na zachód od Genewy, u stop górskiego masywu Jury. Zajmuje obecnie powierzchnię 113 ha na terytorium Szwajcarii i 490 ha na terytorium Francji (początkowo, przed budową synchrotronu SPS, CERN mieścił się całkowicie w Szwajcarii). Budynki i instalacje CERN-u rozmieszczone są na terenie o powierzchni ok.100 km2.

 

Idea utworzenia europejskiej organizacji naukowej została po raz pierwszy przedstawiona publicznie na Europejskiej Konferencji Kulturalnej w Lozannie w grudniu 1949 r. Uczestnikami tej konferencji byli znani uczeni oraz politycy. Do nich skierował swój list laureat nagrody Nobla francuski fizyk Louis de Broglie proponując utworzenie takiej organizacji. W trzy lata później 1 lipca 1953 r. dwanaście państw europejskich podpisało konwencję o utworzeniu CERN-u, ratyfikowaną przez dziewięć z nich we wrześniu następnego roku. Dzień ratyfikacji konwencji 29 września 1954 r. przyjmuje się jako oficjalną datę powstania  CERN-u, w tym roku obchodzimy zatem 50-lecie tej organizacji.

 

Konwencja o utworzeniu CERN-u w następujący sposób określa jego cele[1]:

 

 

      

CERN nastawiony jest na prowadzenie badań podstawowych w dziedzinie fizyki cząstek elementarnych i w pewnych działach fizyki jądrowej, mających na celu zbadanie podstawowych praw  przyrody.

 

Nasza współpraca z CERN-em rozpoczęła się w roku 1959 od indywidualnych wyjazdów kilku młodych fizyków na staże do tego ośrodka. O te pierwsze stypendia, pochodzące z różnych instytucji, wystarali się profesorowie Marian Danysz i Marian Mięsowicz, którzy szybko docenili perspektywy nowopowstałego laboratorium. W następnych latach współuczestnictwo Polaków w prowadzonych w CERN-ie eksperymentach rozwinęło się na tyle, że w roku 1963 Polska jako jedyny kraj z tzw. "bloku wschodniego" uzyskała status państwa-obserwatora w Radzie CERN-u. Jak pisze R. Sosnowski[2]: "nie stanowiło to podstawy do formalnie zagwarantowanych ułatwień we współpracy. Stwarzało jednak dla niej szczególnie przyjazną atmosferę". Niewątpliwie przygotowało też drogę do pełnego członkostwa w tej organizacji.

 

W 1991 r. Polska stała się szesnastym państwem członkowskim CERN-u, znów jako pierwszy kraj z tzw. "bloku wschodniego". Podstawą prawną członkostwa Polski w CERN-ie była umowa podpisana pomiędzy Rządem RP i CERN-em, ratyfikowana następnie przez Prezydenta RP.

 

 

 

W następnych latach cztery dalsze państwa przystąpiły do CERN-u, który zrzesza obecnie 20 europejskich państw członkowskich: Austrię, Belgię, Bułgarię, Czechy, Danię, Finlandię, Francję, Grecję, Hiszpanię, Holandię, Niemcy, Norwegię, Polskę, Portugalię, Słowację, Szwajcarię, Szwecję, Węgry, Wielką Brytanię, Włochy. Z CERN-em współpracują też państwa i organizacje międzynarodowe posiadające status obserwatora: Federacja Rosyjska, Indie, Izrael, Japonia, Turcja, USA oraz Komisja Europejska i UNESCO.

 

Budżet CERN-u, wynoszący w roku 2004 ok. 1.3 miliarda franków szwajcarskich, tworzony jest ze składek krajów członkowskich. Podobnie jak w innych organizacjach międzynarodowych, wysokość składki jest proporcjonalna do "produktu krajowego brutto" (PKB) każdego kraju. Procentowe wkłady do budżetu CERN-u są obecnie następujące:

 Austria  2.16%, Belgia 2.62%, Bułgaria 0.19%, Czechy 0.78%, Dania 1.74%, Finlandia 1.32%, Francja 16.33%, Grecja 1.29%, Hiszpania 7.52%, Holandia 4.31%, Niemcy 21.17%, Norwegia 1.88%, Polska 1.77%, Portugalia 1.16%, Słowacja 0.29%, Szwajcaria 3.01%, Szwecja 2.46%, Węgry 0.77%, W. Brytania 16.58%, Włochy 12.65%. Widać, że najistotniejsze wkłady wnoszą Niemcy, W.Brytania, Francja i Włochy. Wkład Polski wynosi nieco poniżej 2% budżetu CERN-u.

 

Dla prowadzenia badań z zakresu fizyki cząstek budowano w CERN-ie coraz to większe akceleratory:

 

 

Kompleks akceleratorów w CERN-ie

 

-         synchrocyklotron SC, uruchomiony w 1957 r., zamknięty w 1991 r., 600 MeV protony,

 

- synchrotron PS (Proton Synchrotron), uruchomiony w 1960 r., 28 GeV protony

 

 - synchrotron SPS (Super Proton Synchrotron), 6.9 km obwodu, uruchomiony w 1976 r., 450 GeV protony, od 1981 r.  także wiązki przeciwbieżne protonów i antyprotonów

 

- zderzacz ISR (Intersecting Storage Rings), uruchomiony w 1971 r., zamknięty w 1984 r., przeciwbieżne wiązki protonów o energiach do 31.5 + 31.5 GeV i najlżejszych jąder (D, He)

 

- zderzacz LEP (Large Electron Positron Collider), 27 km obwodu, uruchomiony w 1989 r., zamknięty w 2000 r., wiązki przeciwbieżne elektronów i pozytonów o energiach do 105 + 105 GeV

 

- zderzacz LHC (Large Hadron Collider), w budowie w tunelu LEP, przewidywane uruchomienie w połowie 2007 r., przeciwbieżne wiązki protonów 7 + 7 TeV

 

Synchrotrony PS, SPS i LHC tworzą wspólny kompleks akceleracyjny. Oprócz protonów można w nim przyśpieszać także jądra atomowe aż do ołowiu.

 

Dla badań oddziaływań powolnych antyprotonów zbudowano najpierw specjalny pierścień o nazwie LEAR (Low Energy Antiproton Ring, funkcjonował w latach 1982-1996), a następnie pierścień o nazwie AD (Antiproton Decelerator). Dla badań w dziedzinie fizyki jądrowej zbudowano  separator izotopów ISOLDE (Isotope Separator On-Line Detector) wykorzystujący wiązkę protonów początkowo z synchrocyklotronu, a następnie z synchrotronu PS i umożliwiający w ostatnich latach także badania na wiązkach  izotopów promieniotwórczych.

 

Unikalnym przedsięwzięciem jest skierowanie wiązki neutrin z CERN-u do laboratorium Gran Sasso we Włoszech, oddalonego o 730 km od CERN-u (projekt CNGS). Neutrina będą przechodzić pod powierzchnią Ziemi (głęboko pod Alpami). Eksperymenty w Gran Sasso rozpoczną się w roku 2006.

 

W CERN-ie zatrudnionych jest obecnie ok. 2500 osób, oprócz tego pracuje tam 540 stypendystów ("fellows" i "paid associates"). Około połowy z tej liczby stanowią fizycy. Całkowitą liczbę fizyków z krajów członkowskich, którzy współpracują z CERN-em uczestnicząc w różnych programach badawczych ocenia się na ok.4500. Zatrudnieni są oni w prawie 300 instytutach badawczych w swoich krajach.  Liczbę fizyków z krajów nie członkowskich współpracujących z CERN-em ocenia się na prawie 1900. Pochodzą oni z ok. 200 instytutów badawczych. Jedni i drudzy  przyjeżdżają do CERN-u na krótsze lub dłuższe pobyty dla przygotowania aparatury, uczestnictwa w eksperymentach, na spotkania robocze, itp., zwiększając efektywną liczbę pracujących tam do ponad 5000.

Współpraca CERN-u z krajami nie będącymi członkami tej organizacji, w pierwszym rzędzie z Federacją Rosyjską, USA i Japonią, w ostatnich latach bardzo się rozwinęła. Dotyczy ona głównie programu badań na budowanym obecnie zderzaczu hadronowym LHC, dla którego nie widać żadnej konkurencji w skali światowej, gdyż po rezygnacji z budowy wielkiego zderzacza hadronowego w USA, żaden podobny projekt nie jest realizowany. CERN powołany do życia jako laboratorium europejskie  zaczyna więc w coraz większym stopniu odgrywać rolę laboratorium globalnego.

 

Nie ulega wątpliwości, że już od kilku dziesięcioleci CERN zajmuje wiodącą pozycję w fizyce cząstek elementarnych. Dokonano tu wielu odkryć naukowych, z których jako najważniejsze wymieniane są: odkrycie tzw. prądów neutralnych w słabych oddziaływaniach (eksperyment neutrinowy w komorze pęcherzykowej wypełnionej ciężkim freonem, 1973 r.) i odkrycie bozonów W i Z pośredniczących w oddziaływaniach elektrosłabych (zderzenia protonów i antyprotonów przy bardzo wysokich energiach w synchrotronie SPS, 1983 r.).Oba te odkrycia miały zasadnicze znaczenie dla sformułowania tzw. Modelu Standardowego - zunifikowanej teorii oddziaływań słabych i elektromagnetycznych. W CERN-ie odkryto też antyjądra (na synchrotronie PS, 1965 r.) i zsyntetyzowano atomy antywodoru (1995 r.), potwierdzając hipotezę istnienia antymaterii i symetrii materia-antymateria (symetrię tę obserwowano wcześniej tylko dla cząstek elementarnych). Badania oddziaływań jądrowych przy ultrarelatywistycznych energiach dostarczyły ewidencji występowania przejścia fazowego do nowej fazy materii - tzw. plazmy kwarkowo-gluonowej, istnienie której było przewidywane przez teoretyków zajmujących się teorią oddziaływań silnych - chromodynamiką kwantową. Badania te kontynuowane są obecnie na zderzaczu RHIC w Brookhaven (USA).

 

Fizykom pracującym w CERN-ie przyznano dwie nagrody Nobla. Otrzymali je: Carlo Rubbia i Simon Van der Meer w roku 1984 za odkrycie bozonów pośredniczących W i Z i rozwój techniki przyspieszania cząstek umożliwiający ich odkrycie i Georges Charpak w roku 1992 za wkład w metody detekcji cząstek naładowanych (komory wielodrutowe).  Istniejące w CERN-ie unikalne możliwości badawcze przyciągnęły tu już wielu najwybitniejszych fizyków. Wymienić tu można takie nazwiska jak V.Weisskopf (dyrektor generalny CERN-u w latach 1961-65), J.Steinberger (laureat nagrody Nobla w 1988.r.), S.Ting (laureat nagrody Nobla w 1976 r.), M.Veltman  (laureat nagrody Nobla w 1999 r.), A. Zichichi, i inni.

 

Unikalny charakter budowanych w CERN-ie urządzeń badawczych, akceleratorów i detektorów, stwarza rożne wyzwania technologiczne. Dotyczy to np. konstrukcji magnesów, technologii wysokiej próżni, kriogeniki (budowany obecnie zderzacz LHC będzie największą instalacją kriogeniczną na świecie).

 

CERN jest także wiodąca instytucją w dziedzinie informatyki. Tu powstał pod koniec lat 1980-ych system informatyczny WWW (World Wide Web), celem którego było umożliwienie fizykom rozproszonym po całym świecie dostępu do danych i uczestniczenia w badaniach bezpośrednio ze swoich instytutów poprzez sieć Internet. Dla sprostania wielkim wyzwaniom w zakresie opracowywania danych z przyszłych eksperymentów na LHC tworzona jest obecnie nowa sieć informatyczna GRID o rekordowych parametrach w zakresie szybkości przekazu danych i możliwości ich przetwarzania.

 

 

 



[1] Tutaj należy wyjaśnić, że oryginalna nazwa "Europejska  Organizacja Badań Jądrowych" jest w ostatnich latach zastępowana nową nazwą "Europejskie Laboratorium Fizyki Cząstek", która znacznie lepiej odzwierciedla profil prowadzonych tu badań. Ze względów historycznych pozostawiono jednak oryginalny akronim "CERN" pochodzący od pierwotnej francuskiej nazwy "Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire" (akronim ten pasuje także do nazwy "Centre Européen pour la Recherche Nucléaire").

[2] R.Sosnowski, "Siedem lat współpracy z CERN", wykład na posiedzeniu Rady d/s Atomistyki, 6 marca 1998 r.

Kilka fragmentów tego referatu zostało za zgodą autora wykorzystane w niniejszym opracowaniu.