Im Herbst 2004 wurde das 50-jährige Bestehen der Europäischen Organisation für Kernforschung gefeiert. Ein guter Grund, über dieses einzigartige Wissenschaftszentrum und die Vorteile der Grundlagenforschung zu sprechen.
Forschung auf dem Gebiet der Kern- und Elementarteilchenphysik ist so zeit- und ressourcenintensiv, dass sie nicht im Rahmen eines Labors oder gar eines Instituts umgesetzt werden kann. Dies wurde bereits in den Tagen des Manhattan-Projekts deutlich, das nicht nur die Hauptkräfte der amerikanischen Wissenschaft, sondern auch die Mehrheit der nach Amerika emigrierten europäischen Wissenschaftler einbeziehen musste. Die moderne Hochenergiephysik entwickelt sich im Rahmen sogenannter Kollaborationen, die die wissenschaftlichen Kräfte und Ressourcen verschiedener Staaten bündeln. Das größte Projekt seiner Art ist die Europäische Organisation für Kernforschung, ein Forschungszentrum in der Nähe von Genf, an der Grenze zwischen Frankreich und der Schweiz.
1952 unterzeichneten 12 europäische Länder (Belgien, Dänemark, Frankreich, Deutschland, Griechenland, Italien, Holland, Norwegen, Schweden, die Schweiz und Jugoslawien als Teilnehmer und Großbritannien als Beobachter) ein Abkommen über die Schaffung eines temporäre Organisation - der Europäische Rat für Kernforschung, abgekürzt als CERN (nach den Anfangsbuchstaben des französischen Namens Conseil EuropOenne pour la Recherche NuclOaire). Als die Organisation 1954 einen dauerhaften Status erhielt und als Europäische Organisation für Kernforschung bekannt wurde, wurde beschlossen, die frühere Abkürzung beizubeh alten, und jetzt heißt dieses weltweit größte wissenschaftliche Zentrum in allen Sprachen (einschließlich Russisch - CERN) CERN..
Von den vier vorgeschlagenen Standorten für das Zentrum (Paris, Kopenhagen, Arnheim und Genf) wurde Genf aufgrund seiner internationalen Position, seiner geografischen Lage sowie des Versprechens der Schweiz, 40 Hektar in der Nähe bereitzustellen, letztendlich bevorzugt der Stadt für Baugebiet benötigt. Der erste Stab des CERN bestand aus 114 Personen, und der berühmte Physiker, Nobelpreisträger Felix Bloch wurde zum ersten Direktor ernannt.
Booster
Das Hauptwerkzeug für die Forschung auf dem Gebiet der Elementarteilchenphysik ist der Beschleuniger - die komplexeste Maschine, die nicht weniger als ein Raumschiff technische Errungenschaften akkumuliert und die Entwicklung neuer Technologien anregt. Tatsächlich ist ein Beschleuniger eine Vakuumröhre, die von einem komplexen System miteinander synchronisierter Magnete und elektrischer Beschleunigungsfelder umgeben ist, die es ermöglichen, geladene Teilchen fast auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen und ein Bündel mit einer ausreichend großen Anzahl von Teilchen zu erzeugen eine gegebene Energie.
Der Beschleuniger ist das Herzstück des Labors zur Untersuchung von Elementarteilchen, um das herum sich verschiedene andere Organe konzentrieren: Versorgungssysteme; Detektoren, deren Komplexität Raumfahrzeugen nicht unterlegen ist; Gehirne, buchstäblich und im übertragenen Sinne - sowohl elektronisch als auch real.
Das erste Element des CERN-Beschleunigerkomplexes – das Synchrozyklotron – wurde 1957 gebaut und beschleunigte Teilchen auf eine Energie von 600 MeV. Parallel zum Bau wurde auch der Hauptbeschleuniger, das Protonen-Synchrotron (PS), entwickelt. Der Bau dauerte 5 Jahre und endete mit erfolgreichen Tests am 24. November 1959. Als CERN-Direktor John Adams am nächsten Tag diese Errungenschaft ankündigte, hielt er ein seltsames Objekt in seinen Händen – eine leere Flasche Wodka. Diese Flasche (natürlich voll) wurde von Physikern aus Dubna mit dem Wunsch geschickt, sie zu trinken, nachdem das Synchrotron am CERN die damalige Rekordenergie von 10 GeV überwunden hat, die am Synchrophasotron von Dubna erh alten wurde. Dort, wo Adams diese Flasche in den Händen hält, ist ein Foto erh alten geblieben, in dem sich eine Antwortnachricht für Kollegen aus Dubna befindet – ein Foto mit einer Momentaufnahme eines 24-GeV-Teilchenstrahls, der am neuen Beschleuniger aufgenommen wurde. Ein paar Wochen später wurde eine maximale Energie von 28,3 GeV erreicht, und seitdem hat sich das erste CERN-Protonen-Synchrotron erfolgreich an immer mehr neue Anforderungen von Experimentatoren angepasst, und sein System der Fokussierungsmagnete ist unverändert geblieben und funktioniert ordnungsgemäß seit 45 Jahren!
Während der Hauptbeschleuniger aktiv funktionierte, war die Entwicklung eines neuen Projekts – kreuzende Speicherringe – am CERN in vollem Gange. Die Idee, zwei Teilchenstrahlen zu akkumulieren und dann miteinander zu kollidieren, war zu diesem Zeitpunkt bereits für Elektronen verwirklicht worden und hatte ihre Wirksamkeit bewiesen. Bei Frontalkollisionen ist der freigesetzte Energieanteil viel größer als bei Kollisionen mit einem stationären Ziel. Und das gleiche Protonen-Synchrotron sollte diese Ringe mit Protonen versorgen.
Der weltweit erste gekreuzte Speicherring-Protonenbeschleuniger wurde 1971 am CERN fertiggestellt. Es war nicht nur die erste Umsetzung eines ingenieurtechnischen Konzepts, sondern auch ein wahrhaft internationales Gebäude, da das Protonen-Synchrotron in der Schweiz stand und die rund 300 m davon entfernten Speicherringe in Frankreich. Europäische Physiker waren in diesem Moment ihren amerikanischen Kollegen voraus, die traurig scherzten, dass "heute das Hauptinstrument für die Forschung in der Hochenergiephysik die Boeing 707 ist". Dies bedeutete einen Transatlantikflug, der amerikanische Wissenschaftler nach Europa brachte, um an Experimenten am CERN teilzunehmen.
In der Tat spielten diese einzigartigen Beschleunigerkomplexe eine wichtige Rolle bei den Entdeckungen, die in den nächsten 15 Jahren am CERN gemacht wurden.
Übung ist das Kriterium der Wahrheit
Anfang der 70er Jahre gelang es den Physikern, eine Theorie zu entwickeln, die es ihnen ermöglichte, zwei der vier bekannten Wechselwirkungen zu kombinieren (in Form einer allgemeinen Formel zu schreiben) - elektromagnetisch (zwischen geladenen Teilchen) und schwach (verantwortlich für Neutronenzerfall und radioaktiven Betazerfall). Die neue elektroschwache Theorie sagte zwei Dinge voraus, die einer experimentellen Bestätigung bedurften: eine besondere Art der Wechselwirkung zwischen Neutrinos (den sogenannten „neutralen Strömen“) und neuen Teilchen, die fast 100-mal schwerer als Protonen und Neutronen sind und W- und Z-Bosonen genannt werden.
Um zu sehen, wie „alles durchdringende“Neutrinos interagieren, wurde die eigens für Neutrino-Experimente am französischen Forschungszentrum Saclay konstruierte und an das CERN gelieferte Blasenkammer „Gargamel“eingesetzt. Es hatte die Form eines fast 5 m langen Zylinders mit einem Durchmesser von etwa 2 m und war mit 10 Tonnen Freon bei einem Druck von 20 Atmosphären gefüllt. 1973 fanden die Teilnehmer der Zusammenarbeit, zu der sieben europäische Labors und eingeladene Forscher aus Japan, der UdSSR und den USA gehörten, nach einer gründlichen Analyse der mit der Kamera aufgenommenen Fotos etwa hundert Ereignisse, bei denen sich Neutrinos genau so verhielten von der elektroschwachen Theorie vorhergesagt.
Die Frage nach neuen Teilchen war allerdings noch offen, aber für diese Experimente reichte die Leistung der Beschleuniger noch nicht aus. Es gab Hoffnung auf neue Projekte, wie das im Bau befindliche Proton Super Synchrotron (SPS) mit einem Umfang von 7 km.
Der neue Beschleuniger wurde 1976 in Betrieb genommen und ermöglichte die Beschleunigung von Teilchen auf Energien, die um eine Größenordnung höher waren als im ersten Protonen-Synchrotron. Mit den von ihm beschleunigten Protonen- und Antiprotonenstrahlen ergab sich eine echte Gelegenheit, die neuen Teilchen, die von der Theorie vorhergesagt wurden, experimentell zu sehen. Alle CERN-Beschleunigermaschinen waren an dem Experiment beteiligt: das alte Synchrotron, das neue Super-Synchrotron und Speicherringe. Das alte Synchrotron diente dazu, Antiprotonen zu erzeugen und den ursprünglichen Teilchenstrahl dem neuen Beschleuniger zuzuführen, das Super-Synchrotron beschleunigte Teilchen auf enorme Energien, und in den Speicherringen trafen diese Strahlen aufeinander und brachten viele Teilchen hervor, darunter auch solche, die Physiker so waren gespannt zu sehen. Für dieses grandiose Experiment wurden eigens zwei Detektoren gebaut, die die Produktion von W- und Z-Bosonen registrierten. Diese Entdeckung, die 1983 am CERN gemacht wurde, bestätigte die Vorhersagen der Theorie auf bemerkenswerte Weise und inspirierte die wissenschaftliche Gemeinschaft so sehr, dass die Ideologen und Leiter des Experiments, Carlo Rubbia und Simon van der Meer, schon im nächsten Jahr beispiellos bald ausgezeichnet wurden den Nobelpreis für Physik.
Perspektiven
Das nächste CERN-Beschleunigerprojekt, der Electron-Positron Collider (LEP), der 1989 in einem 27 km langen Spezi altunnel gebaut wurde, ermöglichte die sehr genaue Messung einiger Parameter von Elementarteilchen. Im Jahr 2000 wurde er abgebaut, nun entsteht im gleichen Tunnel ein neuer, bisher nicht gesehener Beschleunigerkomplex – der Large Hadron Collider (Large Hadron Collider – LHC) mit einem System auf Basis supraleitender Magnete. Es wird der leistungsstärkste Protonenbeschleuniger der Welt und die größte Supraleitungsanlage sein. Es wird 1.232 supraleitende Dipolmagnete, über 500 supraleitende Quadrupolmagnete und über 4.000 Korrekturmagnete verschiedener Typen umfassen. Diese gesamte Struktur, 27 km lang und 40.000 Tonnen schwer, muss auf 1,9 K gekühlt werden, also auf eine Temperatur von 300 Grad unter Raumtemperatur! Der Bau dieses einzigartigen Ingenieurbauwerks ist in vollem Gange und soll 2007 abgeschlossen werden.
Physiker bereiten fünf nicht minder beeindruckende Detektionssysteme für verschiedene Experimente vor, bestehend aus Tausenden von Zählern und Kameras. An jedem Detektordesign- und Entwicklungsteam sind mehrere tausend Wissenschaftler aus Hunderten von Labors und Instituten beteiligt. All dies wird ohne Übertreibung „von der ganzen Welt“aufgebaut. Beispielsweise kamen 52 Quadrupolmagnete für den Collider aus Kanada, riesige Metallstrukturen mit einem Gewicht von jeweils 175 Tonnen für den CMS-Detektor werden im Iran hergestellt, und im Sommer 2004 wurden die ersten neun von 84 Myonenkammern vom Wissenschaftszentrum JINR geschickt in Dubna auf dem ATLAS-Detektor installiert werden, wo sie mit anderen Kameras zusammenarbeiten werden, die in den wissenschaftlichen Zentren Italiens entwickelt wurden.
World Wide Web
Der Umfang des Projekts wird auch der enormen Menge an Informationen entsprechen, die während der Experimente analysiert werden müssen. Der neue Collider am CERN wird voraussichtlich 12-14 Petabyte an Daten pro Jahr produzieren, was 20 Millionen CDs entspricht! Wissenschaftler, die sich mit Kernphysik befassen, haben sich jedoch immer als die Hauptinitiatoren der Schaffung und Verbraucher von Systemen zur Automatisierung von Berechnungen (dh Computern) erwiesen, ohne die alle ihre Aktivitäten einfach ihre Bedeutung verloren. Der erste Computer erschien 1958 am CERN. Ferranti Mercury brauchte volle zwei Jahre, um diesen Röhrenriesen mit Papierein- und -ausgabe herzustellen, der 300 Mikrosekunden benötigte, um zwei 40-Bit-Zahlen zu multiplizieren! Vier Jahre später traf der erste Transistorcomputer von IBM am CERN ein, der es bereits ermöglichte, sich direkt mit Detektoren zu verbinden und Daten auf Magnetband aufzuzeichnen. Das letzte Zeichen der Ära der Großcomputer war der CRAY-Supercomputer, der 1988 vom CERN erworben wurde.
Zu dieser Zeit tauchten bereits PCs auf, und die Kommunikation zwischen Computern in Rechenzentren wurde aktiv genutzt, um Dateien, E-Mails und den Fernzugriff auf andere Computer zu übertragen. Das war großartig, aber nicht genug für den effektiven Austausch von Daten und Dokumenten. Die Idee einer einheitlichen Darstellung von Informationen in einem Computernetzwerk kam Ende 1989 von CERN-Forscher Tim Berners-Lee, und 1990 schlugen er und Robert Kailiau einen voll funktionsfähigen Prototyp eines solchen Systems für den Zugriff auf die Dokumentation des Computernetzwerks vor CERN-Rechenzentrum, Helpdesk und lokale Nachrichtennetzwerke. Die neue Technologie umfasste drei Hauptkomponenten: Webseiten – die Präsentation von Daten in Form von maschinenunabhängigem Hypertext, dh Text, der Links zu anderen Dokumenten enth alten kann; Webserver – ein Computer mit Zugriff auf das Netzwerk, in dem Webseiten gehostet werden; und ein Webbrowser – ein Hypertext-Dokumentbetrachter auf dem Computer des Benutzers. Obwohl ursprünglich beabsichtigt war, den erfundenen Dienst nur innerhalb der Scientific Community zu nutzen, nannten die Urheber der Idee ihren Sprössling ohne falsche Bescheidenheit „World Wide Web“(World Wide Web) und entpuppten sich als überraschend weitsichtig!
Im Dezember 1991 erschien der erste Webserver in den USA am Stanford Linear Accelerator Center. Ende 1993 gab es weltweit ungefähr 500 Webserver, und Webdokumente machten ungefähr 1 % der über Computernetzwerke übertragenen Informationen aus. In nur einem Jahr erreichte die Zahl der Benutzer des World Wide Web 10 Millionen und die Zahl der Webserver 10.000, von denen 2.000 bereits kommerziell waren. Heute durchsuchen Hunderte Millionen Internetnutzer, darunter Kinder und Hausfrauen, jeden Tag Milliarden von Webdokumenten, suchen in Suchmaschinen nach Informationen und kaufen online ein.
Higgs-Netzwerk
Und die Physiker des Europäischen Zentrums für Kernforschung, wo das erste Stück des World Wide Web gewoben wurde, beschäftigen sich bereits mit neuen Technologien und bereiten sich auf neue Experimente vor. Unter modernen Bedingungen ist das Hauptcomputerwerkzeug kein Supercomputer mehr, sondern eine "Farm" - ein ganzer Komplex leistungsstarker Multiprozessorcomputer, die in Clustern vereint sind. Nach vorläufigen Berechnungen wird jedes Experiment, das am CERN vorbereitet wird, einen Cluster von tausend Zwei-Prozessor-Computern mit einer Prozessorfrequenz von mehr als 20 GHz erfordern. Schließlich müssen Sie bei der Arbeit an einem großen Collider 100-200 Ereignisse pro Sekunde verarbeiten, von denen jedes mehrere Megabyte bis zu einem Gigabyte an Informationen enthält. Gleichzeitig sind die erwarteten Ereignisse so selten, dass es mehrere Monate oder sogar Jahre dauern wird, bis Daten gesammelt sind.
Um diesen Informationsfluss zu analysieren, wird vorgeschlagen, einen neuen Ansatz zu verwenden, der seit einigen Jahren gezielt von der wissenschaftlichen Gemeinschaft entwickelt wird - dies ist eine neue verteilte Computertechnologie namens Grid (was übersetzt "Gitter" oder "Gitter"). Das Grid-Projekt umfasst die Schaffung eines standardisierten öffentlichen parallelen Datenverarbeitungssystems zur Lösung von Problemen, die viel komplexer sind als die einfache Übertragung von Dokumenten mithilfe von Webtechnologie. Ein wichtiger Schritt in der Entwicklung der globalen Grid-Struktur ist die Hochgeschwindigkeitsübertragung von Informationen. Den Rekord hält hier eine Verbindung zwischen CERN und C altech: Die Übertragung eines Terabyte an Daten in weniger als einer Stunde (eine CD in 2,5 Sekunden), was etwa 25-mal schneller ist als bei Standard-Hochgeschwindigkeitsverbindungen.
Wenn neue verteilte Computertechnologien, die für die Datenanalyse in der Hochenergiephysik entwickelt wurden, getestet und so zugänglich wie das WWW werden, wird dies eine Revolution in der globalen Klimamodellierung, Seismologie und anderen Anwendungsbereichen bedeuten. Hier ist es angebracht, an die Worte aus einem Artikel von S. G. Llewellyn Smith, einem der Generaldirektoren des CERN, zu erinnern: „Der Grund, warum wir heute Computer zur Verfügung haben und vor 100 Jahren keine hatten, ist nicht, dass wir plötzlich ein solches Bedürfnis. Dies steht in direktem Zusammenhang mit den Entdeckungen der Grundlagenphysik, aus denen die moderne Elektronik hervorging, der Entwicklung der mathematischen Logik und den Bedürfnissen der Kernphysiker in den 1930er Jahren, die nach effizienten Wegen zur Teilchenzählung suchten.“
Trotzdem sind neue Technologien nur ein Nebenprodukt wissenschaftlicher Forschung, und die Hauptaufgabe besteht darin, Antworten auf äußerst wichtige Fragen zum Aufbau des Universums zu finden. Woher kommt die Teilchenmasse und haben die mysteriösen Neutrinos sie? Existiert das Higgs-Boson und warum ist die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie entstanden? Auch wenn der Large Hadron Collider keine Antworten auf all diese Fragen liefert, wird er zweifellos unsere Sicht auf das Universum verändern.
