LHC – Large Hadron Collider

Large Hadron Collider (ang. Large Hadron Collider, w skrócie LHC) to największy i najpotężniejszy akcelerator cząstek na świecie. Zlokalizowany jest w podziemnym tunelu o długości ok. 27 km na terenie CERN – Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych – przy granicy Szwajcaria‑Francja, w pobliżu miasta Genewa.

Historia

Projekt LHC został przyjęty w 1994 roku przez członków CERN. Budowa rozpoczęła się w 1998 roku i zakończyła w 2008 roku, kiedy to przyrząd został uruchomiony po raz pierwszy.

Budowa i zasada działania

Akcelerator składa się z dwóch przeciwległych pierścieni, w których przyspieszane są wiązki protonów (oraz rzadziej jądra ołowiu). Wiązki krążą w zamkniętym torze przy użyciu ponad 1232 magnesów nadprzewodzących, które wytwarzają pole magnetyczne o natężeniu do 8 tesli. Przy ich prędkości sięgającej praktycznie prędkości światła oraz energii kinetycznej rzędu 13 TeV (na jedną wiązkę), dochodzi do zderzeń w czterech głównych punktach eksperymentalnych: ATLAS, CMS, LHCb oraz ALICE.

Eksperymenty

• ATLAS – ogólny detektor badający szeroki wachlarz procesów cząstek.
• CMS – drugi duży detektor o podobnych możliwościach co ATLAS, służący do weryfikacji wyników.
• LHCb – specjalizuje się w badaniu różnic pomiędzy materią a antymaterią poprzez analizę rozpadu mezonów b-kwarkowych.
• ALICE – badanie plazmy kwarkowo‑gluonicznej powstającej przy zderzeniach jonów ołowiu.

Odkrycia i znaczenie naukowe

Najważniejszym wynikiem LHC jest potwierdzenie istnienia bozonu Higgsa w 2012 roku przez eksperymenty ATLAS i CMS, co zakończyło poszukiwania Modelu Standardowego w jego najtrudniejszej części. Inne istotne odkrycia i obserwacje obejmują:

• Nowe stany kwarków, w tym egzotyczne cząstki postaci tetrakwarku i pentakwarku.
• Precyzyjne pomiary przekrojów czynnych rozpraszania i rozpadów cząstek.
• Badania własności plazmy kwarkowo‑gluonicznej w eksperymencie ALICE.

Perspektywy i planowane ulepszenia

Po zakończeniu bieżącej serii eksperymentów, w 2027 roku planowane jest rozpoczęcie fazy High‑Luminosity LHC (HL‑LHC), której celem jest zwiększenie natężenia wiązek ponad pięciokrotnie. Dzięki temu możliwe będzie gromadzenie znacznie większej liczby zdarzeń, co umożliwi jeszcze dokładniejsze testy Modelu Standardowego oraz poszukiwania fizyki spoza tego modelu, w tym ciemnej materii i supersymetrii.

Wpływ na technologię i społeczeństwo

Rozwój LHC przyczynił się do postępu w dziedzinach takich jak: technologie krzemowe, medycyna obrazowa (np. technika PET), oraz przetwarzanie danych (w dużej mierze dzięki projektowi WLCG – Worldwide LHC Computing Grid).

Bibliografia

1. J. Allison et al., Performance of the LHC, Journal of CERN, 2020.
2. M. Mangano, Physics at the Large Hadron Collider, Springer, 2019.
3. CERN, Historia LHC, dostępny w archiwum CERN.