CERN

CERN (fr. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire ab) je institut u Švicarskoj u kojemu nekoliko država kooperiraju u istraživanju fizike atoma.

Članice i osnivači

Organizacija 
CERN je 1954. godine osnovalo Evropsko vijeće za nuklearna istraživanja (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire – CERN), a nalazi se na francusko-švicarskoj granici, zapadno od Ženeve. Članovi CERN-a su 21 država. Ukupni broj fizičara vezanih uz ovaj projekt je oko 10 000. U CERN-u je zaposleno oko 2 500 ljudi, a oko 800 znanstvenika iz 580 institucija koristi se njegovim kapacitetima za svoja istraživanja. CERN-om upravlja 20 zemalja članica Evropske unije. S dodatnih 38 zemalja, među kojima je i Hrvatska, CERN surađuje na temelju ugovora o suradnji. Budžet CERNa u 2008. godini iznosio je oko 1,1 milijardu švicarskih franaka. Evropski laboratorij za fiziku čestica ili CERN najveći je istraživački laboratorij na svijetu.

Hrvatska je uspostavila odnose s CERN-om ubrzo nakon što je stekla nezavisnost. Do 1997. hrvatski fizičari radili su uglavnom u SPS pogramu teških iona, u NA49 eksperimentu i u pripremama za program ALICE.

Kontakti s hrvatskim vlastima i veze s pojedinačnim znanstvenim ustanovama obnovljene su 1998., a znanstveno-istraživačke skupine iz Splita i Zagreba pridružile su se programima ALICE i CMS zajedno uz angažman hrvatske industrije, pridonoseći izgradnji dijelova obaju detektora. Uz Institut Ruđer Bošković koji je preuzeo ulogu koordinacijskog tijela, postoji i vrlo aktivna i snažna skupina fizičara u Splitu. Skupina znanstvenika iz Instituta Ruđer Bošković surađuje s CERN-om i u eksperimentima OPERA i CAST.

U proteklih 15 godina, u sklopu ovih aktivnosti, znanstvenici iz Hrvatske objavili su u suradnji sa svojim kolegama više od 300 znanstvenih radova, izradili 10 doktorskih i magistarskih radova, održali više od 100 predavanja i osigurali Končaru i Mikrotrendu ugovore za isporuku opreme za ugradnju u detektore CMS i ALICE. Ministarstvo je sufinanciralo radove Končara na projektu CMS, a Končar je za kvalitetno obavljen posao primio od CERN-a nagradu za kvalitetu (The CMS Gold Award of the Year 2006). Ministarstvo na godišnjoj razini financira posjet studenata završne godine Prirodoslovno-matematičkog fakulteta CERN-u (25 studenata), te financira četiri putne stipendije za posjet Ljetnoj školi CERN-a.

Eksperiment OPERA 

Eksperiment OPERA, u kojem sudjeluju i hrvatski znanstvenici s Instituta Ruđer Bošković, po prvi put je otkrio prelazak jedne elementarne čestice - mionskog neutrina u drugu - tau neutrino, što je za fiziku elementarnih čestica važno i dugo najavljivano otkriće.

Rad 
Najvažniji projekt CERNa je LHC (Veliki hadronski sudarač, eng. Large Hadron Collider) koji je počeo s radom u kolovozu 2008. godine. Veliki hadronski sudarač je akceleratorsko postrojenje smješteno u Evropskom centru za nuklearna istraživanja (CERN) u Ženevi. Sastoji se od podzemnog prstena opsega 26 659 metara smještenog na dubini između 75 i 150 metara i akceleratorskih struktura koje ubrzavaju čestice tijekom njihovog kruženja kroz cijev. Za usmjeravanje snopa čestica kroz cijevi akceleratora koriste se tisuće magneta različitih karakteristika i veličine. Snopovi čestica vode se kroz cijevi akceleratorskog prstena pomoću jakog magnetskog polja, koje se postiže upotrebom supravodljivih elektromagneta. Supravodljivi magneti sastavljeni su od posebnih vodiča ohlađenih pomoću tekućeg helija na -271 ºC, da bi se postiglo stanje supravodljivosti. U tom stanju električna struja teče kroz vodiče bez otpora i gubitaka energije što omogućava stvaranje iznimno jakih magnetskih polja. 

Duž prstena akceleratora, na mjestima gdje se snopovi sudaraju, smješteni su detektori čestica koji prikupljaju informacije o česticama nastalim u sudarima i uvjetima koji su tada vladali. Nakon više od deset godina izgradnje i utrošenih više milijardi eura, Veliki hadronski sudarač pušten je u pogon 10. rujna 2008.

Detektori 
Oko akceleratorskog prstena u četiri velike šupljine na mjestima presjecanja snopova protona postavljeno je ukupno šest detektora elementarnih čestica koji će prikupljati podatke o uvjetima koji vladaju u trenutku sudara, o česticama koje pritom nastaju i o njihovim karakteristikama. U svih šest detektora ugrađeno je oko 150 milijuna senzora koji će prikupljati podatke oko 40 milijuna puta u sekundi. Tok sirovih podataka iz četiri detektora iznosit će ukupno oko 700 MB/s. 

Namjena velikih detektora izgrađenih oko akceleratorskog prstena je identificiranje sekundarnih čestica koje nastaju u sudarima i mjerenje njihovog položaja u prostoru, naboja, brzine, mase i energije. Da bi to mogli, detektori se sastoje od mnogo slojeva “poddetektora” koji imaju specifične uloge u rekonstrukciji sudara. Povrh svega nalazi se magnet čija je uloga razdvajanje čestica prema električnom naboju i omogućavanje mjerenja momenta. Postoje dvije važne kategorije poddetektora: 
 Uređaji za prećenje putanje prate kretanje čestica prema tragu koji ostavljaju ioniziranjem medija kroz koji se kreću. U magnetskom polju tragovi se mogu koristiti za mjerenje zakrivljenosti putanje čestice, a prema tome i njenog momenta. Na temelju tih podataka moguće je identificirati česticu. 
 Kalorimetri su uređaji koji mjere energiju čestica tako što ih zaustavljaju i mjere količinu oslobođene energije. Postoje dvije glavne vrste kalorimetara: elektromagnetski i hadronski. Za njihovu izgradnju koriste se različiti materijali, ovisno o vrsti čestica kojoj su namijenjeni. Elektromagnetski kalorimetri u potpunosti zaustavljaju elektrone i fotone koji stupaju u elektromagnetsku interakciju. Čestice koje stupaju u jaku interakciju (hadroni) mogu početi gubiti energiju u elektrostatičkom kalorimetru, ali će tek u hadronskom kalorimetru biti potpuno zaustavljene. Neke čestice, poput miona i neutrina, uopće neće biti detektirane ni jednom vrstom kalorimetara. Kalorimetri su glavni instrument za za identificiranje neutralnih čestica kao što su fotoni i neutroni. Iako su nevidljive u uređajima za praćenje putanja, otkrivaju se po energiji koju predaju kalorimetru. 

Snopovi protona u LHC-u sudarat će se na četiri mjesta na kojima će biti postavljeno ukupno šest detektora: ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, LHCf i TOTEM.

ALICE 
ALICE (engl. A Large Ion Collider Experiment) je detektor specijaliziran za analiziranje sudara iona olova. Pomoću njega će se proučavati svojstva kvark-gluonske plazme, stanja tvari u kojem kvarkovi i gluoni, u uvjetima visoke temperature, više nisu ograničeni unutar hadrona. Takvo stanje tvari vjerojatno je postojalo neposredno nakon Velikog praska, prije nego što su formirane čestice poput protona i neutrona. Detektor je dugačak 26 metara, visok 16 metara i širok 16 metara, a težak je 10 000 tona.

ATLAS 
ATLAS (engl. A Toroidal LHC Apparatus) je općenamjenski detektor porojektiran za najširi mogući opseg fizičkih istraživanja – od Higgsovih bozona do supersimetrije i dodatnih dimenzija. Sastoji se od solenoida superprovodnog magneta dugačkih 25 metara i raspoređenih tako da formiraju valjak oko cijevi sa snopom čestica koja prolazi kroz središte detektora. ATLAS je detektor najvećeg obujma ikada konstruiran. Dugačak je 46 metara, visok 25 metara i širok 25 metara. Težak je 7 000 tona.

CMS 

Kompaktni mionski solenoid ili CMS (engl. Compact Muon Solenoid) je također višenamjenski detektor sa istom namjenom kao i ATLAS, ali su u njegovoj konstrukciji primijenjena drugačija tehnička rješenja. Izgrađen je oko ogromne supravodljive zavojnice. Ima oblik cilindričnog namotaja superprovodnog kabela koji generira magnetno polje snage 4 T, što je oko 100 000 puta jače od magnetnog polja Zemlje. Detektor je dugačak 21 metar, visok 15 metara i širok 15 metara. Težak je 12.500 tona.

LHCb 
LHCb (engl. LHC-beauty) je detektor specijaliziran za istraživanje asimetrije između materije i antimaterije koja je pristutna u interakcijama B-čestica (čestica čiji su konstituenti b kvarkovi). Razumijevanje ove asimetrije ključno je u istraživanju materije i antimaterije u svemiru. Detektor je težak 5 600 tona, dugačak je 21 metar, visok 10 metara i širok 13 metara.

LHCf 
LHCf (engl. Large Hadron Collider forward) je mali eksperiment koji će mjeriti čestice nastale vrlo blizu smjera snopova u sudarima proton - proton. Njegova primarna svrha je testiranje modela korištenih za procjenu primarne energije ultra jakog kozmičkog zračenja. Njegovi detektori bit će udaljeni 140 metara od mjesta sudara unutar detektora ATLAS. LHCf detektor se sastoji od dva dijela dugačka 30 cm, visoka 10 cm i široka 10 cm. Svaki dio detektora težak je 40 kg.

TOTEM 
TOTEM (engl. Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation) će mjeriti efektivnu veličinu ili presjek protona u LHC-u. TOTEM mora biti u mogućnosti detektirati čestice nastale vrlo blizu glavnih snopova protona. Sastoji se od detektora smještenih u posebno dizajniranim vakumskim komorama – “rimskim loncima” – povezanim sa glavnim cijevima akceleratora. Osam lonaca bit će raspoređeno u parovima na četiri mjesta u blizini točke sudara detektora CMS. TOTEM je dugačak 440 metara, visok pet metara, širok pet metara i težak 20 tona.

Informatička podrška 
Tok sirovih podataka iz detektora Velikog hadronskog sudarača iznos ogromnih 700 MB/s. Ta količina podataka prikuplja se pomoću više od 150 milijuna senzora raspoređenih u svih šest eksperimenata. Iz ukupnih sirovih podataka izdvajaju se “zanimljivi događaji” pa se tok podataka smanjuje na samo 300 MB/s. LHC će ukupno godišnje stvarati oko 15 petabajta podataka, kojima će pristupati i obrađivati ih tisuće znanstvenika širom svijeta. 

Podaci prikupljeni u eksperimentima rasporedit će se ustanovama i pojedincima preko četveroslojnog modela. Podaci će se prvenstveno pohranjivati na vrpcama u podatkovnom centru smještenom u samom CERN-u. Ova računala čine nulti sloj distribuiranog sustava. Nakon inicijalne obrade podaci će se ponovno rasporediti u niz centara prvog sloja – velike računalne centre sa dovoljnim kapacitetom za pohranu koji će neprekidno stajati na raposlaganju središnjem podatkovnom centru. 

Centri iz prvog sloja stavljaće podatke na raspolaganje centrima drugog sloja – kolaboracijskim računalnim centrima koji su u mogućnosti čuvati dovoljno podataka i raspolažu dovoljnom procesorskom snagom za izvođenje specifičnih analitičkih poslova. Pojedinačni znanstvenici pristupat će tim centrima preko računalnih resursa trećeg sloja. Oni se mogu sastojati od lokalnih klastera na fakultetima ili čak pojedinačnih PC računala.

World Wide Web 
Nepoznati britanski fizičar Tim Berners-Lee, zaposlen u CERN-u, na Božić je 1990., zajedno s belgijskim kolegom Robertom Cailliauom, prvi put uspješno uspostavio komunikaciju između HTTP klijenta i servera, i to putem interneta. 

Do kraja 1980-tih u svijetu je razvijen niz mreža, internet se proširio po svim kontinentima, naveliko ga je koristila znanstvena zajednica, a već ga je itekako ozbiljno počela koristiti i poslovna zajednica. Nepoznatom britanskom fizičaru Timothy Berners-Leeu, zaposlenom u CERN-u, palo je na pamet da na internetu koristi hipertekst, odnosno da hipertekst poveže s već postojećim, raširenim i prihvaćenim TCP/IP protokolima i razvijenim DNS-om. Bila je to ideja iza koje se skrivao World Wide Web. Sljedeće godine, 25. prosinca 1990., Berners-Lee je zajedno s belgijskim kolegom Robertom Cailliauom prvi put uspješno spojio, a to znači uspostavio komunikaciju između HTTP (engl. Hypertext Transfer Protocol) klijenta i servera i to putem interneta. Ostalo je historija, zvana World Wide Web, a u toj historiji neizostavan datum je 6. 8. 1991., kad je pokrenuta prva web stranica.

Izvori

Vanjske veze 

  Web stranica sjedišta CERN-a
  O CERN-u na stranicama MZOŠ-a 

Međunarodne organizacije
Nuklearna fizika
Fizika elementarnih čestica
Švicarska
1954