Duży Zderzacz Hadronów

Duży Zderzacz Hadronów (LHC), najpotężniejszy na świecie akcelerator cząstek. LHC został zbudowany przez Europejską Organizację Badań Jądrowych (CERN) w tym samym 27-km (17-milowym) tunelu, w którym znajduje się Wielki Zderzacz Elektronowo-Pozytonowy (LEP). Tunel jest okrągły i znajduje się 50-175 metrów pod ziemią, na granicy Francji i Szwajcarii. LHC przeprowadził swój pierwszy test 10 września 2008 roku. Problem elektryczny w systemie chłodzenia 18 września spowodował wzrost temperatury magnesów o około 100°C (180°F), które mają pracować w temperaturze bliskiej zera absolutnego (-273,15°C, czyli -459,67°F). Wczesne szacunki, że LHC zostanie szybko naprawiony, okazały się zbyt optymistyczne. Uruchomiono go ponownie 20 listopada 2009 roku. Wkrótce potem, 30 listopada, wyparł on Tevatron z Fermi National Accelerator Laboratory jako najpotężniejszy akcelerator cząstek, gdy rozpędził protony do energii 1,18 teraelektronowolta (TeV; 1 × 1012 elektronowoltów). W marcu 2010 r. naukowcy z CERN ogłosili, że problem z konstrukcją drutu nadprzewodzącego w LHC wymaga, aby zderzacz pracował tylko przy połowie energii (7 TeV). LHC został wyłączony w lutym 2013 r., aby rozwiązać problem, a następnie uruchomiony ponownie w kwietniu 2015 r., aby pracować z pełną energią 13 TeV. Drugie długie wyłączenie, podczas którego sprzęt LHC zostanie zmodernizowany, rozpoczęło się w grudniu 2018 roku i ma się zakończyć pod koniec 2021 lub na początku 2022 roku.

Sercem LHC jest pierścień, który biegnie przez obwód tunelu LEP; pierścień ma tylko kilka centymetrów średnicy, jest ewakuowany w stopniu wyższym niż głęboka przestrzeń kosmiczna i schłodzony do dwóch stopni od zera absolutnego. W pierścieniu tym, dwie przeciwbieżne wiązki ciężkich jonów lub protonów są przyspieszane do prędkości rzędu jednej milionowej procenta prędkości światła. (Protony należą do kategorii ciężkich cząstek subatomowych zwanych hadronami, co tłumaczy nazwę tego akceleratora cząstek). W czterech punktach na pierścieniu wiązki mogą się przecinać i niewielka część cząstek zderza się ze sobą. Przy maksymalnej mocy zderzenia protonów będą zachodziły z łączną energią do 13 TeV, czyli około siedem razy większą, niż udało się osiągnąć do tej pory. W każdym punkcie zderzenia znajdują się ogromne magnesy ważące dziesiątki tysięcy ton oraz szereg detektorów zbierających cząstki powstałe w wyniku zderzeń.

Realizacja projektu zajęła ćwierć wieku; planowanie rozpoczęło się w 1984 roku, a ostateczne pozwolenie na budowę wydano w 1994 roku. W projektowaniu, planowaniu i budowie LHC brały udział tysiące naukowców i inżynierów z kilkudziesięciu krajów, a koszt materiałów i siły roboczej wyniósł prawie 5 miliardów dolarów; nie obejmuje to kosztów prowadzenia eksperymentów i komputerów.

Jednym z celów projektu LHC jest zrozumienie fundamentalnej struktury materii poprzez odtworzenie ekstremalnych warunków, jakie panowały w pierwszych chwilach istnienia wszechświata zgodnie z modelem wielkiego wybuchu. Przez dziesięciolecia fizycy używali tak zwanego modelu standardowego dla podstawowych cząstek, który działał dobrze, ale ma słabe strony. Po pierwsze, i najważniejsze, nie wyjaśnia on, dlaczego niektóre cząstki mają masę. W latach 60. brytyjski fizyk Peter Higgs postulował istnienie cząstki, która na początku czasu oddziaływała z innymi cząstkami, nadając im masę. Bozon Higgsa nigdy nie został zaobserwowany – powinien powstać tylko w zderzeniach w zakresie energii niedostępnym dla eksperymentów przed LHC. Po roku obserwacji zderzeń w LHC, w 2012 roku naukowcy ogłosili, że wykryli interesujący sygnał, który prawdopodobnie pochodzi od bozonu Higgsa o masie około 126 gigaelektronowoltów (miliardów elektronowoltów). Dalsze dane definitywnie potwierdzają te obserwacje jako pochodzące od bozonu Higgsa. Po drugie, model standardowy wymaga pewnych arbitralnych założeń, które, jak sugerują niektórzy fizycy, mogą być rozwiązane poprzez postulowanie kolejnej klasy cząstek supersymetrycznych; mogłyby one być produkowane przez ekstremalne energie LHC. Wreszcie, badanie asymetrii między cząstkami i ich antycząstkami może dostarczyć wskazówek do innej tajemnicy: braku równowagi między materią i antymaterią we wszechświecie.