CERN

CERN (נהגה: סֶרְן) הוא המרכז הגדול בעולם לחקר חלקיקים. מרכז המחקר ממוקם על גבול שווייץ-צרפת, ממערב לעיר ז'נבה. CERN מפעיל מכלול של מאיצי חלקיקים. מאיץ LHC הבנוי במנהרה טבעתית מצפון ל-CERN הוא המאיץ הגדול בעולם, הן מבחינת האורך, הן מבחינת עלות ההקמה והן מבחינת האנרגיה שאליה מגיעים החלקיקים המואצים.

ב-CERN חברות 22 מדינות, וביניהן ישראל, החברה משנת 2013, והיא המדינה היחידה שאינה מאירופה. בנוסף ישנן 5 מדינות ושני גופים בינלאומיים הנמצאים במעמד של משקיפים. CERN פועל כמרכז בינלאומי שמועסקים בו פיזיקאים מרחבי העולם. פיזיקאים רבים נוספים מבקרים בו לתקופות קצרות ועוסקים בהפעלת הניסויים הקשורים למאיצי החלקיקים הממוקמים בו. בנוסף לפיזיקאים נסיינים, מועסקים ב-CERN פיזיקאים העוסקים בצדדים התאורטיים של פיזיקת החלקיקים, ואליהם נלווים מהנדסים, טכנאים ואנשי מנהלה.

ל-CERN נזקפות מספר תגליות בתחום פיזיקת החלקיקים, ובהן גילוי בוזוני W ו-Z בשנת 1983. מלבד התגליות המדעיות, יש ל-CERN השפעות על פיתוחים טכנולוגיים, כמו למשל המצאת ה-World Wide Web בשנת 1990 ב-CERN, שהחישה את התפתחות האינטרנט.

ב-12 בדצמבר 2013 החליט הארגון לצרף לשורותיו את ישראל כחברה מלאה.

בספטמבר 2021 נבחר פרופ' אליעזר רבינוביץ לנשיא מועצת CERN, והוא ייכנס לתפקידו ב-1 בינואר 2022.

שם המרכז

בשנת 1952, עוד בטרם נפתח המרכז, נקבע ששמו יהיה CERN, כראשי תיבות בצרפתית של "Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire" (המועצה האירופית למחקר גרעיני). עם פתיחתו ב-1954, נקבע ששמו הרשמי של המרכז יהיה "Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire" (הארגון האירופי למחקר גרעיני), אך ראשי התיבות לא שונו והוא מוכר גם כיום בכינוי CERN.

המדינות החברות

הפעילות ב-CERN ממומנת על ידי המדינות החברות בו. תריסר מדינות היו שותפות להקמת המרכז. כיום (2013) גדל מספר החברות המלאות לעשרים ואחת: איטליה, אוסטריה (הצטרפה ב-1959), בולגריה (הצטרפה ב-1999), בלגיה, גרמניה, דנמרק, הולנד, הונגריה (הצטרפה ב-1992), הממלכה המאוחדת, יוון, ישראל (הצטרפה ב-2013), נורווגיה, סלובקיה (הצטרפה ב-1993), ספרד (הצטרפה ב-1961, פרשה ב-1969 והצטרפה שוב ב-1983), פולין (הצטרפה ב-1991), פורטוגל (הצטרפה ב-1985), פינלנד (הצטרפה ב-1991), צ'כיה (הצטרפה ב-1999), צרפת, שוודיה ושווייץ.

ב-12 בדצמבר 2013 החליט המרכז לצרף את ישראל כחברה מלאה לשורותיו, לאחר שנתיים של חברות נלווית ושנים במעמד של משקיפה^[1]^[2]. ישראל היא המדינה הראשונה מחוץ ליבשת אירופה שצורפה למרכז^[3]. כחברה במרכז, ישראל משלמת "דמי חברות" שנתיים של כ-60 מיליון ש"ח (נכון לשנת 2013).

יוגוסלביה, שהייתה בין המייסדות של CERN, פרשה ממנו ב-1961. ב-CERN חברות גם חמש מדינות במעמד של משקיפות: ארצות הברית, הודו, טורקיה, יפן ורוסיה. מעמד של משקיף הוענק גם לאיחוד האירופי ולאונסק"ו.

CERN מעסיק כ-2,600 עובדים קבועים, רובם טכנאים, אנשי מנהלה וכדומה. בנוסף, שוהים במרכז כ-8,000 מדענים ומהנדסים אורחים - כמחצית ממדעני פיזיקת החלקיקים בעולם כולו - מ-500 אוניברסיטאות ומשמונים מדינות שונות.

היסטוריה והישגים

בשנת 1952 נוסדה ועדה זמנית שתפקידה היה להקים את CERN.‏ CERN עצמו הוקם רשמית כעבור שנתיים כשנחתם הסכם בין 12 מדינות מאירופה בדבר שיתוף פעולה מדעי במסגרת המרכז החדש. המדינות המייסדות של CERN הן: איטליה, בלגיה, גרמניה המערבית, דנמרק, הולנד, הממלכה המאוחדת, יוון, יוגוסלביה, נורווגיה, צרפת, שוודיה ושווייץ.

מאז הקמתו, מיועד CERN למחקרים הן בפיזיקה גרעינית והן בפיזיקת חלקיקים. בזכות שיתוף הפעולה האירופאי, שהתרחב לשיתוף פעולה כלל-עולמי, ובזכות השקעת הכסף הגדולה במאיצי חלקיקים ובגלאי חלקיקים, הפך CERN עם השנים למרכז עולמי מוביל בתחום של פיזיקת חלקיקים ניסיונית.

פיזיקת חלקיקים

גלאי גרגמל ששימש בשנת 1973 לגילוי הזרמים הנייטרליים אשר נחזים על ידי המודל הסטנדרטי

ההישג המרכזי של CERN עד עתה (2008) הוא גילוי בוזוני W ו-Z בשנת 1983 בעזרת ניסויי UA1 ו-UA2 - תגלית שזיכתה את קרלו רוביה ואת סימון ואן דר מיר בפרס נובל לפיזיקה שנה מאוחר יותר. הגילוי היווה אישוש מרכזי לרעיון של איחוד הכוח האלקטרומגנטי והכוח החלש (הכוח המאוחד נקרא הכוח האלקטרו-חלש), שעליו מבוסס המודל הסטנדרטי כולו.

אישוש מוקדם יותר למודל הסטנדרטי התרחש כבר ב-1973. היה זה גילוי הזרמים הנייטרליים, פיזור של חלקיקי נייטרינו כתוצאה מהתנגשותם בחלקיקים אחרים, בעזרת גלאי גרגמל. גלאי גרגמל היה תא בועות ענקי שנועד לגלות חלקיקי נייטרינו שחלפו דרכו. התגלית, שסיפקה אישוש ראשוני לעבודה התאורטית בדבר איחוד הכוח האלקטרומגנטי עם הכוח החלש, הייתה הגורם העיקרי שאפשר את הענקת פרס נובל לפיזיקה בשנת 1979 למפתחי התאוריה: שלדון גלאשו, עבדוס סלאם וסטיבן ויינברג.

מאיץ LEP, שהיה הפרויקט המרכזי של CERN בשנות ה-80 ובשנות ה-90, לא הצליח לגלות את בוזון היגס או לספק ראיות ראשונות לתורת הסופר-סימטריה, אך היו לו הישגים רבים באישושים נוספים של המודל הסטנדרטי ובמדידה מדויקת של תכונות חלקיקי היסוד. בעזרת מדידות שנעשו על בוזון Z, הצליחו החוקרים להוכיח כי קיימים רק 3 סוגים של חלקיקי נייטרינו קלים.

הישג נוסף של CERN קשור למחקרים באנטי-חומר. ב-1995 יצרו לראשונה חוקרים מ-CERN אטום של אנטי-חומר. היה זה אנטי-מימן המורכב מאנטי-פרוטון ומפוזיטרון.

CERN היווה לאורך השנים מרכז של תכנון וניסוי עבור גלאי חלקיקים. בשנת 1992 זכה ז'ורז' שרפק הצרפתי בפרס נובל על פיתוח גלאי מסוג תא פרופורציונלי רב-חוטי (multiwire proportional chamber) שנעשה בעת עבודתו ב-CERN.

מחשוב

במקביל לניסויים הפיזיקליים פותחו ב-CERN כלי מחשוב שנועדו לשפר את הפעלת הניסויים, העברת הנתונים ועיבודם. חלק מהכלים הללו הפכו למוכרים ומצליחים גם מחוץ לעולם הפיזיקה. כזו הייתה המצאת ה-WWW על ידי טים ברנרס-לי בשנת 1989. הפרויקט שלו, שהתבסס על היפרטקסט, נועד בתחילה לשימוש פנימי של החוקרים ב-CERN. מטרתו הייתה לסייע להם לחלוק מידע. ברנרס-לי ו-CERN לא רשמו פטנט על ההמצאה, וב-1993 התירה CERN שימוש חופשי בפרוטוקול התקשורת שפותח במעבדותיה. ברנרס-לי עצמו הקים את ה-World Wide Web Consortium בשנת 1994.

בעשור הראשון של המאה ה-21 הייתה CERN חלוצה ביישום רעיונות המחשוב השריגי לצורך שמירת הנתונים שיזרמו מניסויי מאיץ LHC ולצורך עיבודם. מערכת המחשוב השריגי של מאיץ LHC, הקרויה LCG ( (LHC Computing Grid) שימשה לפני הפעלת המאיץ לביצוע הדמיות רחבות היקף של פעולתו.

מאיץ LHC

ערך מורחב – מאיץ LHC

בספטמבר 2008 החלה הפעלתו של מאיץ LHC ב-CERN. בניית המאיץ, שעלותו נאמדת בלמעלה 5 מיליארד אירו, היא הפרויקט הגדול ביותר בתולדות הפיזיקה מבחינת מספר הפיזיקאים שהשתתפו בו, והוא שני רק לתוכניות החלל מבחינת ההשקעה הכספית. הקמת המאיץ, והניסויים הנלווים לו נמשכה כ-17 שנה.

הניסויים שייערכו בעזרת המאיץ נועדו לענות על שאלות העומדות בבסיס הפיזיקה. מטרתם העיקרית להשלים את תמונת חלקיקי היסוד ולחפש אישושים לתאוריות שנועדו להרחיב את המודל הסטנדרטי של החלקיקים היסודיים או להחליף אותו. בפרט, הוא נועד לחפש את בוזון היגס שקיומו נחזה על ידי המודל הסטנדרטי והוא מהווה מרכיב מרכזי בו; למצוא ראיות לתורת סופר-סימטריה שמהווה הרחבה למודל הסטנדרטי; ליצור פלזמת קווארקים-גלואונים ששררה ביקום הקדום, זמן קצר לאחר המפץ הגדול; ולנסות ליצור חורים שחורים זעירים.

חלקו המרכזי של המאיץ בנוי בתוך מנהרה טבעתית שאורכה כ-27 קילומטר. המתקן מסוגל להאיץ פרוטונים בשני צינורות (beam pipes) מקבילים, שמתאחדים לצינור אחד סמוך למספר נקודות אינטראקציה (interaction points) לאורך המאיץ. בנקודות אלו מתרחשת אינטראקציה (התנגשות) בין פרוטונים הנעים בכיוונים מנוגדים. האנרגיה של הפרוטונים הנעים בצינורות ה-LHC מגיעה ל-TeV ‏ 7 (שבעת אלפים מיליארד אלקטרון וולט; פי 7,461 מאנרגיית המנוחה של הפרוטון) ומהירות תנועתם ל-99.9999991% ממהירות האור בריק^[4]. בחלק מהזמן יואצו במאיץ גרעיני עופרת. בחינת החלקיקים שייווצרו כתוצאה מהתנגשויות הפרוטונים או היונים תיעשה באמצעות גלאי חלקיקים גדולים.