欧洲核子研究组织(又称:欧洲核子研究中心,法语:Centre Européen pour la Recherche Nucléaire,英语:European Organization for Nuclear Research,简称:CERN),是世界上最大型的
粒子物理学实验室,也是万维网的发源地,位于瑞士日内瓦,成立于1954年9月29日,研究领域以高能粒子为主。
欧洲核子研究组织的缩写CERN来自于1952年成立的欧洲核子研究理事会。1957年,欧洲核子研究组织建成600MeV同步回旋加速器。1959年11月24日,质子同步加速器启用。1976年6月17日,超级质子同步加速器建设完成。1981年4月4日,欧洲核子研究组织的交叉碰撞储存环成功产生世界上首次质子与反质子的碰撞。1983年,欧洲核子研究组织宣布发现W粒子和Z°粒子。1990年12月20日,世界上第一个网站和服务器在欧洲核子研究组织的一台NeXT
计算机上开始运行。1995年,欧洲核子研究组织制成了世界上第一批
反物质——反氢原子。2002年,欧洲核子研究组织在受控条件下制造出约5万个低能量状态的反氢原子。2012年,欧洲核子研究组织宣布,ATLAS和CMS实验观察到希格斯玻色子。2020年2月19日,欧洲核子研究组织的研究团队首次成功对反氢原子能量结构中的某些量子效应展开测量,测量结果与“正常”氢效应的理论预测相符。2024年3月25日,欧洲核子研究组织利用CMS轨迹探测器出色的追踪能力,首次观察到
质子对撞中两个
光子“变身”为两个陶子(τ)。
欧洲核子研究组织的内部机构主要由理事会、科学政策委员会、财务委员会以及一系列职能部门组成。其主要任务是进行基础物理研究,特别是研究微观世界的基本组成和相互作用。截至2019年,欧洲核子研究组织拥有职员2500名,其中接近一半的职员是科学家、三分之一的职员是技术人员,另外在世界各地还有1万至1.3万名科学家随时待命,参与项目计划工作。
2022俄乌冲突爆发后,欧洲核子研究组织于2022年3月暂停了
俄罗斯的观察员地位。
历史沿革
正式成立
1949年12月,在
洛桑(Lausanne)举行的
欧洲文化会议上,
法国物理学家
路易·德布罗意(Louis de Broglie)提出了第一个有关创建欧洲实验室的正式建议。1952年1月,欧洲12国签署了一项关于建立临时委员会——欧洲核子研究理事会(CERN)的协定。1954年,欧洲核子研究组织正式成立,作为临时机构的欧洲核子研究理事会解散,但最初的缩写CERN被保留了下来。
同步回旋加速器——质子同步加速器时期
1957年,欧洲核子研究组织建成了600MeV同步回旋加速器(SC),这是该组织建成的第一个加速器。1959年,欧洲核子研究组织核心的大科学装置质子同步加速器(PS)建成,质子同步加速器在短时间内成为彼时世界上能量最高的粒子加速器。同年,欧洲核子研究组织主要园区梅林园区(Meyrin Park)的首期建设完成,建成了包括欧洲核子研究组织最初的两台加速器、实验室、中心车间及主楼。1961年,欧洲核子研究组织建成了梅林园区主楼侧翼及相关附属建筑,第一阶段项目的对称式布局基本完成。到1965年,地段内中心和北部的新建建筑布局逐步完善,建设重心开始转向位于
南区的第三实验室。
交叉存储环时期
1971年,欧洲核子研究组织新建设的交叉存储环(ISR)开始投入使用。借助该装置,欧洲核子研究组织实现了世界上第一次质子——质子碰撞。在场地平面中,交叉存储环为直径300m的圆环形,其完全建设在
法国领土上,标志着欧洲核子研究组织开始跨越
瑞士——法国边境线向西发展。在这一阶段,负责欧洲核子研究组织初期建设的建筑师鲁道夫·施泰格及彼得·施泰格父子已经退出,园区的规划建设曾短暂停滞。在园区西侧新建部分建设了大面积的实验车间和厂房,沿梅林公路南侧进行了一系列的建设。同时东侧的第三实验室向北翼延伸,场地肌理进一步致密化。
超级质子同步加速器时期
1976年,欧洲核子研究组织建设完成超级质子同步加速器(SPS),这是欧洲核子研究组织的第一个巨型地下环。超级质子同步加速器成为当时欧洲核子研究组织最重要的大科学装置,能够加速多种类型的微观粒子,其间发现的W粒子、乙粒子获得了
诺贝尔物理学奖。同时,跨越
法国和
瑞士边境线的超级质子同步加速器引导欧洲核子研究组织的场地范围进一步扩大,并向北侧发展。梅林园区开始越过梅林公路,在其北侧修建了一些建筑设施。此外,为满足超级质子同步加速器的运行需求,欧洲核子研究组织沿环北侧新建普雷维辛园区(Prevessin Park),与梅林园区形成互补关系。初期的普雷维辛园区功能相较简单,在场地东部建设有平面十字架形的办公楼及一个大型装配大厅,以及电站等
辅助功能建筑。在西部和北部保留了大片实验区域供之后开发建设使用。
大型正负电子对撞机——大型强子对撞机时期
1989年,欧洲核子研究组织建成投用大型正负电子对撞机(LEP),该正负电子对撞机周长为27km,主环跨越
法国和
瑞士国界,是人类历史上建造过的最大的正负电子加速器。其隧道挖掘工程亦创下
英吉利海峡隧道之前
欧洲最大的工程建设纪录。2001年后,欧洲核子研究组织在大型正负电子对撞机原有的隧道中建造大型强子对撞机(LHC),并在其不同对撞点上建设有四个大型探测器,包括紧凑型子螺旋型磁谱仪(CMS)、超环面仪器(ATLAS)、研究CP破缺实验装置(LHCb)以及大型离子对撞机(ALICE)。凭借着大型正负电子对撞机及大型强子对撞机这两台大科学装置,物理学家们在欧洲核子研究组织做出了希格斯玻色子等重要发现,标志着欧洲再次成为基础物理研究的中心。
在这一阶段,欧洲核子研究组织的梅林园区进一步完善和发展。其中北侧区域建设成为包括科学与创新之球、粒子广场等在内的公共活动区域。普雷维辛园区的功能也日益完善,新建设了加速器控制中心等实验和服务类建筑设施。2010年左右,欧洲核子研究组织的基础建设基本完成。
欧洲核子研究组织的园区现状
截至2024年8月,欧洲核子研究组织共占地625公顷,其中由
法国提供517公顷,由
瑞士提供108公顷。其中两个主园区梅林园区占地79公顷、普雷维辛园区占地85公顷。现有大约667座各种规模的建筑,总占地面积427874m2。此外,欧洲核子研究组织的地下设施极为发达,拥有454个地下结构,包括53个竖井;152条服务廊道,总长17.3km;约57km的隧道。
组织机构
理事会
CERN理事会是该组织的最高权力机构,负责所有重要决策。理事会负责控制 CERN 在科学、技术和行政事务方面的活动。理事会负责批准活动计划、通过预算并审查支出。科学政策委员会和财务委员会协助理事会开展工作。理事会任命的总干事负责管理 CERN 实验室。总干事由一个理事会协助,并通过部门结构管理实验室。
CERN 由
成员国管理,每个成员国都有两名 CERN 理事会的正式代表。一名代表其政府行政部门;另一名代表国家科学利益。每个成员国只有一票,大多数决定只需简单多数即可通过,但实际上理事会的目标是尽可能达成一致意见。
科学政策委员会
科学政策委员会负责评估物理学家提议的活动的科学价值,并就 CERN 的科学计划提出建议。其成员由委员会同事选举产生,并由理事会根据科学成就任命,不考虑国籍。一些成员也从非成员国中选出。
财务委员会
财务委员会由各国政府代表组成,负责处理与会员国财政捐助以及本组织预算和支出有关的所有问题。
高级官员
组织成员
创始国
会员国
截至2024年9月22日,欧洲核子研究组织有24个
成员国,包括
奥地利、比利时、
保加利亚、
捷克、丹麦、
爱沙尼亚、 芬兰、法国、德国、希腊、
匈牙利、
以色列、意大利、荷兰、挪威、波兰、
葡萄牙、
罗马尼亚、
塞尔维亚、
斯洛伐克、
西班牙、瑞典、瑞士和英国。塞浦路斯和
斯洛文尼亚是处于加入前阶段的准成员国。巴西、
克罗地亚 、印度、
拉脱维亚、立陶宛、
巴基斯坦、
土耳其和
乌克兰是准成员国。
观察员国
日本和
美国拥有LHC的观察员地位,而美国也拥有HL-LHC的观察员地位。国际组织
欧盟和
联合国教科文组织拥有欧洲核子研究组织的观察员地位。 根据欧洲核子研究组织理事会2022年3月8日的决议,
俄罗斯的观察员地位被暂停。根据欧洲核子研究组织理事会2022年3月25日的决议,联合核研究所(JINR)的观察员地位被暂停。
组织文化
宗旨
欧洲核子研究组织不关心与军事有关的工作,实验和理论工作的成果应公开或以其他方式共享。
使命
在基础物理学领域进行世界一流的研究。提供独特的粒子加速器设施,以对环境负责和可持续的方式开展人类知识前沿的研究。团结世界各地的人们共同推动科学技术的进步,造福所有人。培养新一代物理学家、工程师和技术人员,并让所有公民参与研究和科学价值观。
任务职责
欧洲核子研究组织的核心任务是粒子物理基础研究。作为公共资金资助的实验机构,其另一项职责是确保技术和专业知识尽可能让社会受益。欧洲核子研究组织的科学家、工程师和技术人员在实验中开发的新技术和专业知识可应用于高能物理以外的领域,通过将这些技术转移给产业,进而使社会受益。欧洲核子研究组织与各行各业的大中小企业、初创企业以及政策决策者们密切联系,以资助项目研发、建立商业孵化中心、授权
知识产权、开展国际合作等多种方式推动知识转移。
欧洲核子研究组织在医学与
生物医学、航空航天、安全、工业4.0、
文化遗产、能源技术等领域应用了大量研究成果,这些应用领域涉及的主要技术包括:光束仪器与系统、冷却和通风、低温血、数字科学、高真空和超高真空、工业控制、
四氧化三铁技术、制造和机械加工、材料科学、度量学、粒子追踪和热量测定、电力电子和光电子及微电子、辐射防护和监测、
射频技术、机器人、
传感器、超导、试验设备等。
科学成就
粒子物理学领域
1973年,欧洲核子研究组织宣布,在其Gargamelle气泡室中发现了中性流。1983年,经过UA1和UA2两次实验后,欧洲核子研究组织宣布发现W粒子和Z°粒子。次年,欧洲核子研究组织的两位物理学家鲁比亚和
西蒙·范德梅尔获
诺贝尔物理学奖。1992年10月14日,欧洲核子研究组织的G•夏帕克(G. Charpak)由于发明和研制
基本粒子探测器,特别是多丝正比探测器而获得1992年诺贝尔物理学奖。1995年,欧洲核子研究组织制成了世界上第一批
反物质——反氢原子,揭开了人类研制反物质的新篇章。1999年,欧洲核子研究组织于NA48实验中直接发现CP破坏存在的证据。
2002年,欧洲核子研究组织成功制造出约5万个低能量状态的反氢原子,这是人类首次在受控条件下大批量制造反物质。2012年7月4日,欧洲核子研究组织在
墨尔本举行的粒子物理学会议上公布了一项最新成果,ATLAS和CMS实验观察到希格斯玻色子。2020年2月19日,欧洲核子研究组织发布公报称,其研究团队首次成功对反氢原子能量结构中的某些量子效应展开测量,测量结果与“正常”氢效应的理论预测相符,为今后更精确地测量这类量子效应和其他基本量铺平了道路。2022年7月5日,欧洲核子研究组织的大型强子对撞机(LHC)上的底夸克探测器(LHCb)合作组发现了新的奇特粒子结构,包括一种首次发现的五夸克态粒子和有史以来观察到的第一对四夸克态粒子。同年11月,欧洲核子研究组织在大型强子对撞机上开展的测试中,铅原子核被加速并发生了核子—核子碰撞,对撞能量创下5.36太电子伏特纪录。
2023年4月1日,欧洲核子研究组织官宣布,其
反物质工厂的科研团队结合铯和反铯原子振荡并取平均值,对秒进行了重新测量并定义为——铯13原子振荡8846157280次为1秒,按照新定义,一天将达24小时56分24秒。同年7月22日,欧洲核子研究组织超环面仪器实验(ATLAS)合作组报告了迄今最精确希格斯玻色子质量:125.11吉电子伏特。2024年3月25日,欧洲核子研究组织大型强子对撞机(LHC)上的紧凑缪子线圈(CMS)国际合作组宣布,利用CMS轨迹探测器出色的追踪能力,首次观察到质子对撞中两个光子“变身”为两个陶子(τ)。
计算机领域
1990年12月20日,世界上第一个网站和服务器在欧洲核子研究组织的一台NeXT计算机上开始运行,另外,欧洲核子研究组织的科学家伯纳斯•李还编写了世界上的首个浏览器,并对URL、http和
HTML等网络的一些基本概念进行了定义。