thumb|right|200px|Harta LHC Large Hadron Collider (engleză pentru „mare accelerator de hadroni”; pe scurt LHC) este un accelerator de particule, construit la Centrul European de Cercetări Nucleare CERN, între Munții Alpi și Munții Jura, lângă Geneva. Construcția a fost finalizată în mai 2008 și a costat peste trei miliarde de lire sterline. Are o formă de cerc cu circumferința de , situat la sub pământ. LHC este considerat cel mai performant accelerator de particule din lume. Scopul LHC este de a explora validitatea și limitările Modelului Standard, modelul teoretic de bază din domeniul fizicii particulelor. Teoretic, acceleratorul ar trebui să confirme existența bosonului Higgs, acoperind elemente lipsă ale Modelului Standard și explicând felul în care particulele elementare capătă anumite proprietăți, cum ar fi masa.
Acceleratorul a fost pus în funcțiune la 10 septembrie 2008. A fost construit în colaborare cu peste opt sute de fizicieni din peste optzeci și cinci de țări precum și în parteneriat cu sute de universități și laboratoare importante. După greutăți tehnice importante a fost repus în funcțiune în noiembrie 2009.
Deși în mass-media au fost exprimate unele temeri referitoare la siguranța experimentului, în comunitatea științifică există un consens despre coliziunile de particule efectuate de LHC, în sensul că ele nu prezintă niciun pericol pentru om/omenire.
Proiectarea LHC este cel mai mare accelerator de particule din lume, și cel care atinge cele mai mari energii. Coliderul se află într-un tunel circular, cu o circumferință de , aflat la o adâncime între sub pământ.
Tunelul, învelit într-un strat de grosime de beton, construit între 1983 și 1988, a fost folosit anterior ca gazdă pentru Large Electron-Positron Collider. El trece granița dintre Elveția și Franța în patru puncte, o parte mai mare din el aflându-se pe teritoriul Franței. Clădirile de la suprafață adăpostesc echipamente auxiliare, cum ar fi compresoare, echipamente de ventilație, electronica de control și uzine de refrigerare.
Tunelul e compus din două țevi inelare adiacente separate care se intersectează în patru puncte, fiecare țeavă conținând o conductă de protoni. Aceștia se deplasează în tunel în direcții contrare. Aproximativ păstrează fluxurile pe calea lor circulară, și sunt utilizați pentru a păstra fluxurile focalizate, pentru a maximiza șansele de interacțiune între particule în cele patru puncte de intersecție a celor două fluxuri. În total sunt instalați peste , majoritatea cântărind peste . Pentru a păstra magneții la temperatura lor de operare de sunt necesare aproximativ de heliu lichid, făcând din LHC cea mai mare uzină criogenică la temperatura heliului lichid.
thumb|left|Cuadripoli electromagnetici superconductori folosiți pentru a îndrepta fluxurile de protoni către patru puncte de intersecție, unde au loc interacțiunile dintre protoni.
O dată sau de două ori pe zi, în timp ce protonii sunt accelerați de la până la cel mult , câmpurile magnetice ale dipolilor electromagnetici supraconductori sunt mărite de la 0,54 la . Protonii pot ajunge fiecare până la o energie de , energia totală de coliziune ajungând astfel până la (). La acest nivel de energie protonii au un factor Lorentz de aproximativ 7.500 și se deplasează cu viteze de 99,999999% din viteza luminii. Durează mai puțin de ca un proton să efectueze o tură în jurul inelului principal – viteza sa unghiulară putând atinge pe secundă. Fluxurile nu sunt continue, protonii fiind adunați în sau pachete, astfel încât interacțiunile între două fluxuri să aibă loc la intervale discrete niciodată mai scurte de . Totuși, operarea se face cu mai puține grupuri decât era inițial stabilit, intervalul între grupurile de protoni fiind de cel puțin .
Înainte de a fi injectate în acceleratorul principal, particulele sunt pregătite de o serie de sisteme care le măresc succesiv energia. Primul sistem este acceleratorul liniar de particule LINAC 2 care generează protoni de , accelerator care alimentează Proton Synchrotron Booster (PSB). Acolo, protonii sunt accelerați până la energii de și injectați în Sincrotronul de Protoni (în , PS), unde sunt accelerați până la . În cele din urmă Super Sincrotronul de Protoni (în , SPS) este utilizat pentru a crește energia protonilor până la înainte de a fi în final injectați (timp de 20 de minute) în inelul principal. Aici grupurile de protoni sunt acumulate, accelerate (pe o perioadă de ) până la energia lor maximă, de , și în cele din urmă sunt stocați (păstrați în această stare) timp de , timp în care au loc coliziunile în cele patru puncte de intersecție.
LHC va fi folosit și pentru a ciocni ioni grei de plumb (Pb) cu o energie de coliziune de . Ionii de Pb vor fi accelerați de acceleratorul liniar LINAC 3, iar Inelul Injector de energie joasă (în ) va fi folosit ca unitate de stocare și răcire a ionilor. Ionii vor fi apoi accelerați de către PS și SPS înainte de a fi injectați în inelul LHC, unde vor atinge o energie de pe nucleon.
Detectoare
LHC dispune de șase detectoare; acestea se află sub pământ, în excavații din dreptul punctelor de intersecție ale sale. Două dintre ele, Experimentul ATLAS și Compact Muon Solenoid (CMS), sunt detectoare de particule mari și au roluri generice. A Large Ion Collider Experiment (ALICE) și LHCb au roluri mai specifice, iar ultimele două, TOTEM și LHCf, sunt mult mai mici și sunt folosite pentru cercetări foarte specializate. Sumarul BBC al principalelor detectoare este după cum urmează: ATLAS – unul dintre cele două detectoare generice. ATLAS va fi folosit pentru a căuta semne pentru găsirea de informații noi, inclusiv originile masei sau dimensiuni superioare. CMS – celălalt detector generic, ca și ATLAS, caută bosonul Higgs și alte indicii cu privire la natura materiei întunecate. ALICE – studiază starea de agregare a materiei numită plasmă quark-gluon, care a existat la scurt timp după Big Bang. LHCb – La Big Bang au fost create cantități egale de materie și antimaterie. LHCb va încerca să investigheze ce s-a întâmplat cu antimateria acum dispărută.
Scop thumb|O diagramă Feynman a felului în care ar putea fi produs bosonul Higgs la LHC. Aici, două quark uri emit fiecare un boson W sau Z, care se combină pentru a obține un boson Higgs neutru. thumb|Simulare a unui eveniment din detectorul CMS, cu apariția bosonului Higgs.
În timpul funcțiunii, aproximativ șapte mii de oameni de știință din optzeci de țări vor avea acces la LHC. Teoretic, coliderul va produce bosoni Higgs, ultima particulă încă neobservată dintre cele prevăzute teoretic de Modelul Standard. Verificarea existenței bosonului Higgs va aduce lumină asupra mecanismului ruperii simetriei electroslabe, prin care se consideră că particulele Modelului Standard capătă masă. În plus față de bosonul Higgs, la LHC ar putea fi produse și alte noi particule prezise de diverse extensiii ale Modelului Standard. În general fizicienii speră că LHC îi va ajuta să găsească răspunsul la următoarele întrebări: Oare mecanismul Higgs de generare a maselor particulelor elementare din Modelul Standard este cu adevărat aplicat în natură?„...in the public presentations of the aspiration of particle physics we hear too often that the goal of the LHC or a linear collider is to check off the last missing particle of the Standard Model, this year’s Holy Grail of particle physics, the Higgs boson. The truth is much less boring than that! What we’re trying to accomplish is much more exciting, and asking what the world would have been like without the Higgs mechanism is a way of getting at that excitement.” — Chris Quigg, Nature's Greatest Puzzles Dacă e așa, câte feluri de bosoni Higgs există, și care sunt masele lor? Electromagnetismul, forța nucleară tare și forța nucleară slabă sunt oare doar manifestări diferite ale unei singure forțe unificate, după cum prezic multiplele teorii ale unificării? La 1015 GeV ar trebui să se unifice. De ce este gravitația cu atâtea ordine de mărime mai slabă decât celelalte trei interacțiuni fundamentale? Există în natură supersimetrie, adică au particulele din Modelul Standard câte un partener supersimetric? Măsurările mai precise ale maselor și ale dezagregărilor quarkurilor vor continua să mai fie reciproc consistente în Modelul Standard? De ce pare că există violări ale simetriei între materie și antimaterie? Care este natura materiei întunecate și a energiei întunecate? Există dimensiuni superioare, după cum prezic diferitele modele inspirate din teoria coardelor, și pot fi detectate?
Dintre descoperirile posibile pe care le-ar putea face LHC, doar descoperirea particulei Higgs este relativ necontroversată, dar nici aceasta nu este sigură. Stephen Hawking a spus într-un interviu acordat BBC-ului: „Cred că va fi mult mai interesant dacă nu găsim Higgsul. Aceasta va arăta că am greșit undeva, și că trebuie să regândim. Am pus un pariu pe o sută de dolari că nu găsim Higgsul.” În același interviu, Hawking aduce în discuție posibilitatea găsirii de superparteneri și adaugă că „Orice ar găsi sau nu ar găsi LHC, rezultatele ne vor spune multe despre structura universului.”
Colider de ioni Programul de LHC se bazează mai ales pe coliziuni proton–proton. Totuși sunt incluse în program și perioade de rulare mai scurte, de regulă o lună pe an, cu coliziuni de ioni grei. Deși și ionii mai ușori sunt luați în considerare, scopul principal al acestor perioade de rulare îl reprezintă ionii de plumb. Aceasta va permite un progres al programului experimental care se desfășoară la Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). Scopul programului cu ioni grei este observarea unei stări a materiei numită plasmă quark-gluon, care caracteriza etapa inițială a existenței Universului, imediat după Big Bang.
Decursul testelor După punerea în funcțiune a supercoliderului, oamenii de știință de la CERN estimează că dacă Modelul Standard este corect, atunci la fiecare câteva ore va fi produs câte un boson Higgs. În acest ritm ar putea dura aproximativ trei ani până se vor aduna suficiente statistici pentru a dovedi cu certitudine existența bosonului Higgs. Similar, ar dura un an sau mai mult până când vor fi adunate destule rezultate privind particulele supersimetrice pentru a trage concluzii în privința acestora.
Primul flux de protoni a circulat prin colider în dimineața zilei de 10 septembrie 2008. CERN a reușit trimiterea protonilor prin tunel în etape de câte trei kilometri. Particulele au fost trimise în sens orar în accelerator și au efectuat primul înconjur complet la ora 10:28 ora locală. LHC a încheiat cu succes primul său test major: după o serie de rulări de test, două puncte albe au apărut pe ecranul unui monitor, arătând că protonii au traversat toată lungimea coliderului. Ghidarea particulelor pe parcursul de inaugurare a durat mai puțin de o oră. CERN a trimis apoi un flux de protoni în sens trigonometric, ceea ce a durat puțin mai mult, o oră și jumătate, din cauza unei probleme cu criogenia, turul complet fiind încheiat la ora 14:59.
S-a așteaptat ca primele coliziuni de protoni cu energii mari să aibă loc la 6-8 săptămâni după intrarea în funcțiune a LHC la 10 septembrie 2008. În anul 2008, însă, LHC a operat la o energie redusă, de doar 10 TeV. Perioada de oprire de iarnă (spre sfârșitul lui noiembrie) a fost folosită pentru antrenarea magneților superconductor, astfel încât rularea din 2009 să înceapă la energia maximă proiectată de 14 TeV, ceea ce însă încă nu a reușit.
După reluarea în funcțiune în noiembrie 2009, nu după mult timp, accelerarea maximă a protonilor a atins nivelul de 1,18 TeV, un nou "record mondial".
Desigur că atingerea maximei teoretice de 2 x 7 TeV = 14 TeV și a frecvenței ciocnirilor de 600 MHz va avea nevoie de încă mult timp și eforturi. Se apreciază că aceasta se va întâmpla după pauza prevăzută în anul 2012.