Large Hadron Collider

Large Hadron Collider (LHC), världens mest kraftfulla partikelaccelerator. LHC byggdes av Europeiska organisationen för kärnforskning (CERN) i samma 27 km långa tunnel som rymde dess Large Electron-Positron Collider (LEP). Tunneln är cirkulär och ligger 50-175 meter under marken på gränsen mellan Frankrike och Schweiz. LHC genomförde sin första testverksamhet den 10 september 2008. Ett elektriskt problem i ett kylsystem den 18 september resulterade i en temperaturökning på cirka 100 °C (180 °F) i magneterna, som är avsedda att fungera vid temperaturer nära den absoluta nollpunkten (-273,15 °C eller -459,67 °F). Tidiga uppskattningar om att LHC snabbt skulle kunna repareras visade sig snart vara alltför optimistiska. Det startades på nytt den 20 november 2009. Kort därefter, den 30 november, ersatte den Tevatron vid Fermi National Accelerator Laboratory som den mest kraftfulla partikelacceleratorn när den ökade protoner till energier på 1,18 teraelektronvolt (TeV; 1 × 1012 elektronvolt). I mars 2010 meddelade forskare vid CERN att ett problem med utformningen av den supraledande tråden i LHC krävde att kollidatorn endast skulle köras vid halva energin (7 TeV). LHC stängdes av i februari 2013 för att åtgärda problemet och startades på nytt i april 2015 för att köras vid sin fulla energi på 13 TeV. En andra lång avstängning, under vilken LHC:s utrustning skulle uppgraderas, inleddes i december 2018 och beräknas avslutas i slutet av 2021 eller början av 2022.

Härtan i LHC är en ring som löper genom LEP-tunnelns omkrets; ringen är bara några centimeter i diameter, evakuerad i högre grad än djuprummet och kyld till inom två grader från den absoluta nollpunkten. I denna ring accelereras två motroterande strålar av tunga joner eller protoner till hastigheter inom en miljondels procent av ljusets hastighet. (Protoner tillhör en kategori tunga subatomära partiklar som kallas hadroner, vilket förklarar namnet på denna partikelaccelerator). Vid fyra punkter på ringen kan strålarna korsa varandra och en liten del av partiklarna kraschar in i varandra. Vid maximal effekt kommer kollisioner mellan protoner att äga rum med en kombinerad energi på upp till 13 TeV, vilket är ungefär sju gånger större än vad som tidigare har uppnåtts. Vid varje kollisionspunkt finns enorma magneter som väger tiotusentals ton och banker av detektorer för att samla in de partiklar som produceras av kollisionerna.

Projektet tog ett kvarts sekel att förverkliga; planeringen påbörjades 1984 och det slutliga klartecken gavs 1994. Tusentals forskare och ingenjörer från dussintals länder var inblandade i utformningen, planeringen och byggandet av LHC, och kostnaden för material och arbetskraft uppgick till nästan 5 miljarder dollar; detta inkluderar inte kostnaden för att driva experiment och datorer.

Ett av målen med LHC-projektet är att förstå materiens grundläggande struktur genom att återskapa de extrema förhållanden som rådde under de första ögonblicken av universum enligt big-bang-modellen. I årtionden har fysiker använt den så kallade standardmodellen för fundamentala partiklar, som har fungerat bra men har svagheter. För det första, och viktigast, förklarar den inte varför vissa partiklar har massa. På 1960-talet postulerade den brittiske fysikern Peter Higgs en partikel som hade interagerat med andra partiklar i tidernas begynnelse för att ge dem deras massa. Higgsbosonen hade aldrig observerats – den skulle endast kunna produceras genom kollisioner i ett energiområde som inte var tillgängligt för experiment före LHC. Efter att ha observerat kollisioner vid LHC under ett år meddelade forskarna där 2012 att de hade upptäckt en intressant signal som sannolikt kom från en Higgsboson med en massa på cirka 126 gigaelektronvolt (miljard elektronvolt). Ytterligare data bekräftar slutgiltigt att dessa observationer är från Higgsbosonen. För det andra kräver standardmodellen vissa godtyckliga antaganden, som vissa fysiker har föreslagit kan lösas genom att postulera ytterligare en klass av supersymmetriska partiklar; dessa kan produceras av de extrema energierna i LHC. Slutligen kan undersökningen av asymmetrier mellan partiklar och deras antipartiklar ge en ledtråd till ett annat mysterium: obalansen mellan materia och antimateria i universum.