欧洲核子研究组织(CERN)是一个政府间科学组织,其实验室位于日内瓦附近的瑞士与法国边境。该组织成立于1954年,为粒子物理学国际研究提供加速器和实验设施。研究人员主要通过研究粒子碰撞,探索物质的基本组成及其相互作用。CERN运行着大型强子对撞机(LHC),但其研究计划也包括较小型的加速器、固定靶实验,以及原子核和反物质研究。(home.cern)
起源与机构宗旨
CERN源于第二次世界大战后重建欧洲科学合作的努力。科学家希望建立一座各国单独出资难以负担的共享研究设施,同时应对欧洲研究人员流向北美的问题。在联合国教科文组织主持下开展的讨论,促成了1952年欧洲核子研究理事会这一临时机构的成立。CERN这一缩写源自该理事会的法语名称:Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire。(home.cern)
1954年9月29日,创立公约生效,组织正式成立,共有12个创始成员国。尽管名称中保留了“核子研究”,其主要研究领域后来转向粒子物理学,研究范围从原子核拓展至更基本的组成粒子。公约规定,组织不得从事服务于军事需求的工作,并要求公开发表实验和理论研究成果,或以其他方式向公众开放。(home.cern)
治理与国际合作
CERN的最高决策机构是理事会,负责批准科学计划和预算,并监督科学、技术及行政活动。每个成员国有两名正式代表,一名代表政府行政部门,另一名代表本国科学界,但每个国家只有一票。理事会任命负责实验室管理的总干事,并听取科学政策委员会和财务委员会的建议。(home.cern)
CERN为世界各地科研机构的研究人员组成的实验合作团队提供共享基础设施。这些团队使用CERN的设备开展实验,并非仅仅作为实验室内部的部门运作。因此,参与范围超出了该组织的成员国:各国科研机构为具体项目投入研究人员、设备、计算资源和专业知识。(home.cern)
加速器与实验设施
粒子加速器利用电磁场提高带电粒子的能量,并控制其运动轨迹。在CERN,各台加速器构成相互连接的加速器系统:较小的加速器为较大的加速器准备粒子束,也直接向实验提供束流。射频腔用于加速粒子,磁铁则负责聚焦和引导粒子束。1959年投入使用的质子同步加速器至今仍是这一系统的一部分。(home.cern)
大型强子对撞机于2008年9月10日首次启动。其周长约27千米的环形加速器位于一条横跨法瑞边境的地下隧道中。两束粒子沿相反方向运行,在指定的相互作用点发生碰撞。该设备利用基于超导现象的磁铁,将质子和离子加速至接近光速的速度。(home.web.cern.ch)
加速器和探测器的功能不同。加速器产生高能粒子束,探测器则记录碰撞产生的粒子。许多寿命很短的粒子无法被直接观测,因此研究人员通过其衰变产物来识别它们。CERN的设施还支持固定靶实验和ISOLDE计划,后者为核物理学研究提供奇异原子核。(home.cern)
科学发现
CERN的实验为标准模型提供了重要证据。1973年,Gargamelle实验观测到中性流相互作用,支持了当时正在形成的电弱相互作用理论。1983年,UA1和UA2实验发现了W和Z玻色子。卡洛·鲁比亚和西蒙·范德梅尔因对促成这些发现的项目作出决定性贡献,获得了1984年诺贝尔物理学奖。(home.cern)
2012年7月4日,ATLAS实验和CMS实验合作团队宣布发现一种与希格斯玻色子特征相符的新粒子。2013年3月公布的进一步分析确认,它是一种希格斯玻色子。这一发现为希格斯场及某些基本粒子借以获得质量的希格斯机制提供了证据。后续测量将该粒子的产生、衰变和相互作用与理论预测进行比较。(home.cern)
计算与万维网
CERN的国际科研环境也推动了信息技术的发展。1989年,蒂姆·伯纳斯-李在CERN工作期间发明了万维网,最初目的是方便分散在不同地区科研机构中的科学家共享信息。第一个网站介绍的正是万维网项目本身。1993年4月30日,CERN将万维网软件置于公有领域;后来的一个版本则采用开放许可证,以促进其传播。(home.cern)
处理碰撞数据所需的资源超出了单个实验室的能力。全球大型强子对撞机计算网格整合了多个国家的计算和存储设施,为大型强子对撞机数据的存储、分发和分析提供分布式计算基础设施。CERN提供其中一部分基础设施,其余大部分计算和存储能力则由合作机构提供。(home.web.cern.ch)
升级与公众教育
高亮度大型强子对撞机项目对现有对撞机进行升级,以获取规模大幅增加的碰撞数据集。其目标是使积分亮度达到大型强子对撞机原始设计值的十倍,从而增加研究稀有过程的机会,并更精确地测量已知粒子的性质。根据CERN公布的时间表,该设施预计于2030年年中投入运行;项目包括加速器改造,以及对ATLAS和CMS的大规模升级。(home.web.cern.ch)
CERN也开展面向公众的教育活动。其“科学门户”中心于2023年10月7日揭幕,设有展览、实验室工作坊和科学活动空间。该中心通过适合不同年龄和科学知识水平访客的体验活动,介绍实验室的研究与技术。(home.cern)