Logo zum 50. Jubiläum von CERNDas Hauptgelände des CERN aus der LuftHaupteingang des CERN in MeyrinGlobus der Wissenschaft und Innovation – Zentrum für Veranstaltungen und Ausstellungen
DasCERN, dieEuropäische Organisation für Kernforschung, ist eine Großforschungseinrichtung in der Nähe vonGenf, die teilweise inFrankreich und teilweise in derSchweiz liegt. Am CERN wirdphysikalische Grundlagenforschung betrieben, insbesondere wird mit Hilfe großerTeilchenbeschleuniger der Aufbau der Materie erforscht. Der derzeit (2024) bedeutendste ist der besonders großeLarge Hadron Collider (LHC), der 2008 in Betrieb genommen wurde.
DasAkronym CERN leitet sich vom französischen Namen des Rates ab, der mit der Gründung der Organisation beauftragt war, demConseileuropéen pour larecherchenucléaire[1]. Die offiziellen Namen des CERN sindEuropean Organization for Nuclear Research imEnglischen beziehungsweiseOrganisation européenne pour la recherche nucléaire imFranzösischen.[2]
Derzeit hat das CERN 25 Mitgliedstaaten. Mit etwa 3.400 Mitarbeitern (Stand: 31. Dezember 2017)[3] ist das CERN das weltweit größte Forschungszentrum auf dem Gebiet derTeilchenphysik. Über 14.000 Gastwissenschaftler[3] aus 85 Nationen arbeiten an CERN-Experimenten. Das Jahresbudget des CERN belief sich 2023 auf ungefähr 1,23 MilliardenSchweizer Franken (ca. 1,27 Milliarden Euro).[4][5]
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 durchFelix Bloch, den ersten regulären Generaldirektor des CERN. Im gleichen Zeitraum fand die 1.Genfer Atomkonferenz statt, eine große Konferenz mit internationaler Beteiligung und wissenschaftlichen Beiträgen zurKernphysik undKerntechnik.
Ursprünglich war das CERN vor allem für die Forschung im Bereich derKernenergie vorgesehen, schon bald entstanden aber die ersten Teilchenbeschleuniger. 1957 wurde dasSynchro-Zyklotron (SC), dasProtonen auf bis zu 600 MeV beschleunigte, in Betrieb genommen, das erst nach über 33 Jahren Betrieb 1990 abgeschaltet werden sollte. Am 24. November 1959 folgte dasProtonen-Synchrotron (PS) mit einer (damals weltweit höchsten) Protonenenergie 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 erfandGeorges Charpak einen Teilchendetektor, der in einer gasgefüllten Kammer eine große Anzahl parallel angeordneter Drähte zur besseren Orts- und Energieauflösung enthielt. Er revolutionierte mit dieserDrahtkammer den Teilchennachweis und erhielt 1992 denNobelpreis für Physik. 1970 belief sich das Budget des CERN auf 370 MillionenSchweizer Franken. Die Kosten wurden 1970 zu 23 Prozent durch die Bundesrepublik Deutschland, zu 22 Prozent durch das Vereinigte Königreich und zu 20 Prozent von Frankreich getragen.
Im August 1989 ging derLarge Electron-Positron Collider (LEP) in Betrieb, einer der größten jemals gebauten Beschleuniger. In einem Tunnel von 27 km Länge kollidierten hier an ausgewählten OrtenElektronen und ihre Antiteilchen, diePositronen, mit Energien von 100 GeV. 1996 wurden am LEAR-Speicherring (Low Energy Antiproton Ring) erstmalsAntiwasserstoffatome produziert, es gab dabei erste Hinweise auf geringfügige Unterschiede zwischen Materie undAntimaterie (CP-Verletzung), was 2001 durch ein weiteres Experiment bestätigt wurde.
Die vier Detektoren am LEP wurden für den Test desStandardmodells entwickelt. Sie wurden nach erfolgreichem Betrieb abgebaut, um Platz für die LHC-Detektoren zu schaffen. Es handelte sich um die folgenden LEP-Detektoren:
ALEPH (Apparatus for LEp PHysics) dient zum Nachweis von Teilchen, die bei der Kollision vonElektronen undPositronen entstehen
DELPHI (DEtector with Lepton PHoton and Hadron Identification): Teilchenidentifikation sowie dreidimensionale Teilchenspuren
OPAL (Omni Purpose Apparatus for Lep) ist ein großer, zwiebelförmig aufgebauter Vielzweckdetektor zur Messung von Reaktionsprodukten
L3-Detektor: Der größte LEP-Detektor enthält mehr als 10.000 Kristalle ausBismutgermanat zum Nachweis von Elektronen und Photonen. L3 erhielt diesen Namen, weil es sich um den dritten eingereichten Vorschlag für einen LEP-Detektor handelte.
Im Jahre 1999 begannen die Bauarbeiten für den LHC in dem Tunnel des Large Electron-Positron Colliders. Im Jahre 2000 wurde der LEP endgültig abgeschaltet.
Am CERN werden der Aufbau derMaterie und diefundamentalen Wechselwirkungen zwischen den Elementarteilchen erforscht, also die grundlegende Frage, woraus das Universum besteht und wie es funktioniert. Mit großen Teilchenbeschleunigern werden Teilchen auf nahezuLichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Kollision gebracht. Mit einer Vielzahl unterschiedlicherTeilchendetektoren werden sodann dieFlugbahnen der bei den Kollisionen entstandenen Teilchen rekonstruiert, woraus sich wiederum Rückschlüsse auf die Eigenschaften der kollidierten sowie der neu entstandenen Teilchen ziehen lassen. Dies ist mit einem enormen technischen Aufwand für die Herstellung und den Betrieb der Anlagen sowie mit extremen Anforderungen an die Rechnerleistung zwecks Datenauswertung verbunden. Auch aus diesem Grund wird CERN international betrieben und finanziert.
Am Anfang der Experimente stehen Beschleuniger, welche den Teilchen die für die Untersuchungen notwendige kinetische Energie verleihen. Hervorzuheben sind dasSuper Proton Synchrotron (SPS) für die Vorbeschleunigung und derLarge Hadron Collider (LHC), der Große Hadronen-Speicherring, der bei weitem größte und aufwendigste Beschleuniger, der am Anfang vieler Experimente steht. Weitere Anlagen sind dieCERN Hadron Linacs:
Der Large Hadron Collider (LHC) ist der größte Teilchenbeschleuniger der Welt. Der Beschleunigerring hat einen Umfang von 26.659 m und enthält 9.300 Magnete. Zur Durchführung der Experimente muss der Speicherring in zwei Schritten auf die Betriebstemperatur heruntergekühlt werden. Im ersten Schritt werden die Magnete mit Hilfe von flüssigem Stickstoff auf 80 K (−193,2 °C), in einem zweiten Schritt mittels flüssigen Heliums auf 1,9 K (−271,25 °C) heruntergekühlt. Anschließend wird die Anlage kontrolliert hochgefahren. Die Teilchen werden in mehreren Umläufen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und mit extrem hoher kinetischer Energie zur Kollision gebracht.
Am 8. August 2008 wurden die ersten Protonen in den LHC geschossen, am 10. September 2008 folgte der erste 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. Am 23. Oktober 2009 wurden erneut Protonen in den Tunnel injiziert.[8] Am 30. März 2010 gelang es erstmals, Protonen mit einer Rekordenergie von jeweils 3,5 TeV (also insgesamt 7 TeV) aufeinandertreffen zu lassen.[9] Es wurden auch erfolgreichBlei-Ionen zur Kollision gebracht,[10] sowie Kollisionen von Blei-Ionen mit Protonen herbeigeführt.
2012 wurde die Gesamtenergie auf 8 TeV erhöht. Seither operiert der LHC in einer Folge vonRuns, in denen Experimente laufen, unterbrochen von planmäßigen Pausen, die für Reparaturen und Verbesserungen genutzt werden.[11] Nach der ersten Langzeit-AbschaltungLong Shutdown LS1[12] lief der LHC seit dem 5. April 2015 mit einer Gesamtenergie von 13 TeV.[13][14] Von Ende 2018 an wurde der LHC im Rahmen des zweiten planmäßigen langen Shutdowns (LS2) auf den Betrieb bei der Designenergie von 14 TeV und höherer Kollisionsrate aufgerüstet, seit 22. April 2022 läuft „Run 3“.[15]
Die bei den Kollisionen entstehenden Teilchen werden im Rahmen verschiedener Experimente mit Hilfe von Detektoren registriert und anschließend von internationalen Wissenschaftler-Teams mittels spezieller Computerprogramme analysiert. Die Experimente bzw. Detektoren am LHC sind:
ALICE (A Large Ion Collider Experiment) ist ein Vielzweckdetektor, optimiert für Kollisionen vonSchwerionen, zum Beispiel Blei, bei denen extreme Energiedichten eintreten.
ATLAS (A Toroidal Lhc ApparatuS) mit zwiebelförmigen Aufbau untersucht vor allem hochenergetischeProton-Proton-Kollisionen. Insbesondere soll der Nachweis desHiggs-Teilchens gelingen. Im Juli 2012 gelang mit ATLAS in Verbindung mit CMS der Nachweis (5σ) des seit 1964 vermuteten Higgs-Bosons. Für die Veröffentlichungen zur Vorhersage dieses Teilchens wurde nach der Entdeckung der Physik-Nobelpreis vergeben. Außerdem wurde nachsupersymmetrischen Teilchen gesucht.
CMS (Compact Muon Solenoid) untersucht ebenfalls Proton-Proton-Kollisionen; Besonderheiten sind einKalorimeter ausBleiwolframat-Kristallen für hochenergetischePhotonen, zusätzlicheHalbleiterspurdetektoren und einMyon-Nachweissystem. CMS und ATLAS sind so konzipiert, dass sie eine gegenseitige Überprüfung wissenschaftlicher Resultate garantieren.
LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment) vermisstCP-Verletzung bei B- und D-Mesonen, und sucht nach seltenen Zerfällen vonHadronen, die das schwereBottom-Quark enthalten.
TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement) zur Ermittlung der Größe des Protons mit bislang noch unerreichter Genauigkeit.
LHCf (Large Hadron Collider forward) untersucht Kollisionsprodukte, die nahezu exakt in Richtung der Teilchenstrahlen fliegen. Die Ergebnisse werden unter anderem zur Simulationkosmischer Strahlung genutzt.
Neben den Experimenten am LHC werden mit den anderen Beschleunigern und Detektoren weitere Experimente durchgeführt zur Erforschung von Hadronstruktur und -produktion, Neutrinooszillation und Dunkler Materie:
COMPASS-Experiment (CommonMuonProtonApparatus forStructure andSpectroscopy): COMPASS ist ein Experiment aus dem Bereich der Hochenergiephysik amSuper 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 seit 2005 fortgesetzt. 240 Wissenschaftler aus 12 Ländern und 28 Instituten sind bei COMPASS engagiert.
NA61/SHINE Experiment (SPSHeavyIon andNeutrinoExperiment): NA61/SHINE erforscht die Hadronproduktion bei Kollisionen von verschiedenen Hadron- und Ionstrahlen mit diversen nuklearen Targets bei SPS Energien. Die Ziele des Experiments umfassen die Untersuchung der Eigenschaften desonset of deconfinement, die Suche nach dem kritischen Punkt der stark wechselwirkenden Materie, sowie Referenzmessungen für Experimente mit Neutrinos (T2K) und kosmischer Strahlung (Pierre-Auger-Observatorium).
CNGS (CERNNeutrinos toGranSasso (Italien)): Ziel des Experiments ist es, dieNeutrinooszillation zu untersuchen. Dazu wird mit Hilfe desSPS-Beschleunigers einNeutrino-Strahl erzeugt, der mit demOPERA im italienischen LaborGran 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, am 2. Oktober 2007 den ersten Strahl aus dem CERN.[16]
ISOLDE (IsotopeSeparatorOnLineDEvice[17]): Ist ein on-line Isotopen-Massenseparator, mit dem eine Vielzahl radioaktiver Ionenstrahlen erzeugt werden kann, die in Experimenten der Atom-, Kern-, Astro- und Festkörperphysik und biomedizinischen Studien Verwendung finden. Mehr als 700Isotope von 70 verschiedenenElementen mitLebensdauern bis in den Millisekunden-Bereich wurden bisher untersucht.
CAST-Experiment (CERNAxionSolarTelescope): In diesem Experiment wird versucht, mittels eines sehr starkenMagnetfelds so genannte solareAxionen nachzuweisen. Dies sind hypothetische, subatomare, mit gewöhnlicher Materie nur sehr schwach wechselwirkende Teilchen, die als Hauptkandidaten für die ExistenzDunkler Materie gelten (siehe auch:Primakoff-Effekt).
Daneben werden eine Vielzahl kleinerer Experimente durchgeführt, so unter anderem:
Um die ungeheuren Datenmengen, die seit November 2009[18] an den vier großen Experimenten ALICE, ATLAS, CMS und LHCb des LHC anfallen, verarbeiten zu können, wurde dasLHC Computing Grid, ein System fürverteiltes Rechnen, entwickelt.
Auch dasWorld Wide Web hat seine Ursprünge am CERN. Um Forschungsergebnisse auf einfache Art und Weise unter den Wissenschaftlern austauschen zu können, wurde das Konzept bereits 1989 quasi als Nebenprodukt der eigentlichen Forschungsarbeit vonTim Berners-Lee entwickelt.
Viele fundamentale Erkenntnisse über den Aufbau der Materie und die Grundkräfte der Physik wurden am CERN gewonnen. Die Entdeckung derW- undZ-Bosonen gelang 1983Carlo Rubbia undSimon van der Meer, für die sie 1984 den Nobelpreis erhielten. Auch der erste Hinweis auf die Entstehung einesQuark-Gluon-Plasmas bei extrem hohen Temperaturen wurde 1999 amRelativistic Heavy Ion Collider (RHIC) gefunden. Folgeexperimente laufen am LHC mit dem ALICE-Detektor. Im Jahre 2002 gelang die Produktion und Speicherung von mehreren tausend „kalten“ Antiwasserstoff-Atomen durch dieATHENA-Kollaboration, ebenso begann die Datenaufnahme imCOMPASS-Experiment.
Ein weiteres Forschungsfeld ist die Erforschung desHiggs-Bosons, eines wichtigen Teils desStandardmodells. Nach jahrzehntelanger Suche wurde 2012 ein Teilchen gefunden, das in allen gemessenen Eigenschaften mit dem gesuchten Higgs-Boson übereinstimmt. Die Erhöhung der Energie am Large Hadron Collider von 7 auf 13TeV ermöglicht es, dessen Eigenschaften genauer zu vermessen. Dies ist auch für die Suche nach schweren Teilchen notwendig sowie für die genauere Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas.[19]
Das CERN hat zwei Hauptgelände, die sich naheGenf befinden. Eines davon, dieSite de Meyrin, liegt auf der Grenze zwischen Frankreich und der Schweiz und verteilt sich auf die GemeindeMeyrin in der Schweiz sowie die GemeindenPrévessin-Moëns undSaint-Genis-Pouilly in Frankreich. DieSite de Prévessin befindet sich etwa drei Kilometer weiter nördlich und liegt ausschließlich auf französischem Staatsgebiet. Sie verteilt sich etwa zu gleichen Teilen auf Prévessin-Moëns und Saint-Genis-Pouilly.
Das CERN hat damit, wie auch dasEuropäische Laboratorium für Molekularbiologie, als internationales Forschungszentrum eine besondere Stellung. Das oberste Entscheidungsgremium der Organisation ist derRat des CERN, in welchen alle Mitgliedsstaaten jeweils zwei Delegierte entsenden: einen Repräsentanten der Regierung und einen Wissenschaftler.[20] Die offiziellen Arbeitssprachen des CERN sindEnglisch undFranzösisch.[21]
Seit Dezember 2012 verfügt das CERN über einen Beobachterstatus bei derGeneralversammlung der Vereinten Nationen. Dieser besondere Status verleiht dem CERN das Recht, bei Konferenzen der Generalversammlung zu sprechen, bei formellen Abstimmungen zu votieren und UN-Resolutionen zu unterstützen und unterzeichnen, nicht jedoch über sie mit abzustimmen.[22]Der Status wurde verliehen, nachdem dieSchweiz undFrankreich unter Befürwortung aller weiteren 18 Mitgliedsstaaten sowie diverser weiterer Nicht-Mitgliedsstaaten einen entsprechenden Antrag gestellt hatten.Begründet wurde die Entscheidung mit der wichtigen Rolle des CERN in Wissenschaft und Entwicklung und dem Aspekt der außerordentlichen internationalen Zusammenarbeit.[23]
Der rechtliche Status des CERN beruht auf einem Abkommen zwischen der Schweiz und der Europäischen Organisation für kernphysikalische Forschung vom 11. Juni 1955. Im Abkommen werden die internationale Rechtspersönlichkeit und die Rechtsfähigkeit der Organisation festgelegt. Demnach genießt das CERN die bei internationalen Organisationen üblichen Immunitäten und Vorrechte, soweit sie zur Erfüllung ihrer Aufgaben notwendig sind. Auch die natürlichen Personen, die das CERN nach außen hin vertreten, genießen in der Schweiz Immunität. Das CERN unterliegt weder der Schweizer Gerichtsbarkeit noch dem Schweizer Steuerregime.[24][25]
Die Anteile der Finanzierung haben dabei keinen beziehungsweise nur geringen Einfluss auf die Vertretung der einzelnen Nationalitäten. Dies spiegelt sich sowohl bei den offiziellen ArbeitssprachenEnglisch undFranzösisch,[21] als auch bei der Herkunft der beschäftigten Mitarbeiter (staff member) und Gastwissenschaftler (user) wider. Deutschland ist hier mit 1194 Gastwissenschaftlern (Stand: 2015) im Vergleich zu seinem Finanzierungsanteil deutlich unterrepräsentiert.[3] Auch auf die Anzahl der in denRat des CERN entsandten Vertreter haben die Anteile an der Finanzierung keinen Einfluss.
Assoziierte Mitglieder, Beobachterstatus und Kooperationen
DieRepublik Zypern ist assoziiertes Mitglied im Vorstadium einer Vollmitgliedschaft.Pakistan,Indien, dieUkraine, dieTürkei,Litauen,Lettland undKroatien sind assoziierte Mitglieder.[28] Am 13. März 2024 trat auchBrasilien als assoziiertes Mitglied bei, nach mehr als 30 Jahren Kooperationsvereinbarungen.[29] Im Oktober 2025 komplettierteIrland seine Aufnahme als assoziiertes Mitglied.[30] Im März 2025 wurdeChile der Status als assoziiertes Mitglied zuerkannt, der noch (Stand Oktober 2025) durch das chilenische Parlament ratifiziert werden muss.[31]
Wissenschaftler und Mitarbeiter des CERN gründeten 1965 denRugby-Union-VereinRC CERN. Er wurde bisher zehnmal Schweizer Meister und trägt seine Heimspiele in unmittelbarer Nähe des Forschungszentrums aus.
Hannelore Dittmar-Ilgen:50 Jahre CERN – Ein Beitrag Europas für die Zukunft. In:Naturwissenschaftliche Rundschau. 57, 12, Stuttgart 2004,ISSN0028-1050, S. 653–660.
Jürgen Drees, Hans Jürgen Hilke:50 Jahre CERN. In:Physik Journal. Band 3, 2004, Nr. 10, S. 47–53.
Rolf Landua:Am Rande der Dimensionen. Gespräche über die Physik am CERN. Suhrkamp, Frankfurt am Main 2008,ISBN 3-518-26003-0.
Andri Pol:Menschen am Cern – Europäische Organisation für Kernforschung. Herausgegeben von Lars Müller, mit Texten von Peter Stamm und Rolf Heuer. Lars Müller Publishers, Baden 2013.
History of CERN. 3 Bände, North Holland.
Band 1:Armin Hermann, Lanfranco Belloni, Gerhard John Krige, Ulrike Mersits, Dominique Pestre:Launching the European Organization for Nuclear Research.
Band 2: Armin Hermann, Gerhard John Krige, Ulrike Mersits, Dominique Pestre, Laura Weiss:Building and Running the Laboratory, 1990.
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