LHC er verdens største partikkelakselerator, og er den nyeste akseleratoren som har blitt bygget ved forskningssenteret CERN i Sveits. Akseleratoren ble tatt i bruk i 2008. Maskinen gjør det mulig å studere elementærpartiklene, de aller minste bestanddelene av materien i universet, ved å kollidere partikler med tilnærmet lysets hastighet.
Oppsett
LHC er bygget i den samme 27 km lange tunnelen som det tidligere LEP-prosjektet, som ble ferdigstilt i 1988. I 2000 stengte LEP ned, og konstruksjonen av LHC ble satt i gang. Tunnelen ligger i gjennomsnitt 100 meter under bakken, under grensen mellom Sveits og Frankrike. Tunnelen krysser grensen mellom de to landene totalt fire ganger. Tunnelen er ikke helt rund, men har åtte rette deler og åtte kurvede deler. De rette delene er 545 meter lange, mens de kurvede er 2,7 km lange.
Selve LHC består av kryostater, som kan sees på som store frysere, med to lufttomme rør, der partikkelstrålene sendes i hver sin retning. Rundt disse rørene ligger superledende elektromagneter, som kontrollerer partikkelstrålene. Ettersom superledere ikke har elektrisk motstand, kan man oppnå en svært høy strømstyrke på 11 000 ampere i spolene i magnetene. Dette gjør at det dannes et svært sterkt magnetfelt på 8,3 tesla: 100 000 ganger sterkere enn jordas magnetfelt. For å holde magnetene superledende, må de kjøles ned med flytende helium, som holder -271 °C. Ved denne temperaturen er helium superfluid, som blant annet innebærer en svært høy varmeledningsevne. I de kurvede delene av akseleratoren er det til sammen 1232 dipolmagneter, som sørger for å bøye partikkelstrålene. Disse magnetene med kryostat er rundt 15 m lange, og veier 28 tonn. I tillegg er det 392 kvadrupolmagneter i de kurvede delene og 148 i de rette delene. Disse magnetene sørger for å samle partikkelstrålene til en tettere stråle, slik at kollisjoner er enklere å oppnå. I tillegg er det mer enn 6000 superledende korreksjonsmagneter. Totalt består LHC av 9593 magneter. De superledende magnetene består av en niob-titan-legering i en kobbermatriks.
Ved fire punkter i den 27 km lange ringen krysser de to partikkelstrålene hverandre, slik at det oppstår kollisjoner. Ved disse punktene er det bygget store detektorer som gjør de nødvendige målingene fra kollisjonene. Disse detektorene kalles ALICE («A Large Ion Collider Experiment»), ATLAS («A Toroidal Lhc ApparatuS»), CMS («Compact Muon Solenoid») og LHCb (LHC beauty).
Mesteparten av tiden er det protoner som sendes gjennom akseleratoren for å kollideres med hverandre. Protonkilden er en flaske med hydrogengass. Disse protonene går gjennom et kompleks av akseleratorer før de når LHC. Først legges det til et ekstra elektron til hvert hydrogenatom, slik at negative hydrogenioner først kan akselereres gjennom en lineærakselerator kalt Linac4, med en lengde på 86 meter. Deretter fjernes de to elektronene i hydrogenionet, slik at bare protoner kan akselereres gjennom en serie av større og større sirkulære akseleratorer. Ved å bruke negative hydrogenioner reduseres tap av partikler, og flere protoner kan tilføres til den neste akseleratoren, som kalles PS Booster (Proton Synchrotron Booster) og har en lengde på 157 m. Deretter sendes protonene til PS (Proton Synchrotron) med en lengde på 628 m, og til slutt SPS (Super Proton Synchrotron) med en lengde på 7 km, før de sendes inn i LHC. I LHC når protonene en energi på 6,8 TeV, som resulterer i kollisjoner på 13,6 TeV. Hastigheten til protonene når de sirkulerer LHC tilsvarer 99,9999991 % av lysets hastighet, ca. 11 kilometer i timen saktere enn lyshastigheten. Dette betyr at protonene går 11 245 ganger rundt akseleratoren i sekundet. En protonstråle sendes som 2808 grupper med 25 nanosekunder mellomrom, der det er 115 milliarder protoner i hver gruppe. Dette gir rundt en milliard kollisjoner hvert sekund. Selv om hver protonkollisjon tilsvarer energien til to mygg som kolliderer, tilsvarer energien på hele protonstrålen et hurtigtog i maksfart.
Med jevne mellomrom byttes protonene ut med tyngre blykjerner. Dette gjøres for å studere det som kalles kvark-gluon-plasma.
Resultater
Målet med LHC er å finne nye partikler eller fenomen som hittil ikke er oppdaga. ATLAS og CMS er mer generelle detektorer, og kompletterer hverandre. Ved disse var fokus å få klarhet i om higgspartikkelen eksisterer. Ved ALICE var en opptatt av å påvise og å studere kvark–gluon-plasma, noe som ble påvist våren 2011. 4. juli 2012 annonserte CERN at en hadde data som var konsistent med eksistensen av higgspartikkelen. Med dette er den såkalte standardmodellen for partikkelfysikk fullstendig. Ut fra teoretiske vurderinger er flere mulige utvidelser av standardmodellen foreslått. Eksperimentalfysikerne som arbeider ved ATLAS og CMS arbeider videre med å samle data som kan utelukke eller bekrefte slike teorier.
I tillegg til de tre nevnte eksperimentene er det installert noen mindre, mer spesialiserte eksperimenter, blant annet eksperimentet LHCb, der en skal studere desintegrasjoner av B-meson. I slike eksperimenter venter en å se effekter som bryter symmetrien mellom materie og antimaterie, også kalt CP-symmetri.
Fremtid
Siden oppstarten av LHC i 2008 har akseleratoren hatt to lange stopp, der deler av akseleratoren har blitt byttet ut og oppgradert. Den første operasjonstiden frem til den første nedstengningen i 2013 ble kalt «Run 1» og protonstrålene ble kjørt med en energi på 3,5 TeV. Første lengre nedstengning var fra 2013 til 2015, og Run 2 startet i 2015 med en energi på 6,5 TeV. Den andre nedstengningen varte fra 2018 til 2022, der fokuset ble lagt på å oppnå flere kollisjoner. Run 3 startet i 2022 med en energi på 6,8 TeV.
En ny nedstengning er planlagt i 2026, hvor man skal implementere det som kalles HL-LHC: "High Luminosity Large Hadron Collider". Denne oppgraderingen innebærer at det skal skje ti ganger flere kollisjoner (en økning i såkalt luminositet med en faktor på ti). Dette skal gjøres ved å bytte ut superledermaterialet i mange av kvadrupolene fra Nb-Ti til Nb3Sn. Dette er en superleder som kan oppnå sterkere magnetfelt, som vil gjøre at kvadrupolmagnetene kan sentrere strålene enda kraftigere. En utfordring for ingeniørene som jobber ved CERN er at denne typen superleder er veldig sprø, og derfor lettere kan knekke. Magnetfeltet fra de nye magnetene skal nå opp til 11,4 tesla. HL-LHC er planlagt å startes opp i 2030, og skal blant annet studere higgsbosonet nærmere. Det vil produseres rundt 15 millioner higgsbosoner per år, sammenlignet med tre millioner i 2017. Dette gjør det mulig å studere mer sjeldne fenomener.
En del spørsmål som fysikerne nå har, kan ikke besvares ved hjelp av LHC. Eksempler er higgsbosonets rolle under Big Bang og universets evolusjon, om det eksisterer partikler utover standardmodellen, for eksempel i mørk materie, og hvorfor det finnes så mye mer materie enn antimaterie. Hvilke energier som kreves for å finne ut av dette er foreløpig uvisst for forskerne. Derfor har det blitt gjort mange studier ved CERN for å utforske om det kan bygges en ny og større partikkelakselerator enn LHC. Denne blir kalt «Future Circular Collider» (FCC). FCC er planlagt å ligge 200 meter under bakken, og gå i en 91 km lang tunnel under Genèvesjøen, og skal for det meste ligge i Frankrike. Planlagt start for elektron-positron-kollisjoner er midten av 2040-tallet, mens proton-proton-kollisjoner skal starte en gang på 2070-tallet. Det er forventet kollisjonsenergier rundt 100 TeV for proton-proton-kollisjonene. Kostnaden er beregnet å ligge rundt 15 milliarder sveitsiske franc. Prosjektet skal skape rundt 800 000 årsverk, og CERN har regnet ut at det vil gi i overkant av 25 milliarder sveitserfranc tilbake til samfunnet.
