Large Hadron Collider (LHC) er verdens største og mest kraftfulde partikelaccelerator. Den blev bygget af Den Europæiske Organisation for Kerneforskning (CERN). Det er en gigantisk cirkulær tunnel, der er bygget under jorden. Tunnelen er 27 kilometer lang og ligger mellem 50 og 175 meter under jorden. Den ligger under grænsen mellem Schweiz og Frankrig. 10 000 videnskabsmænd og ingeniører fra over 100 forskellige lande arbejdede sammen om at lave dette projekt, og det kostede 10,4 milliarder schweizerfranc (10 milliarder dollars) at bygge det. Det er nu det største og mest komplicerede eksperimentelle forskningsanlæg i verden.

Som navnet siger, omfatter forskningen ved LHC kollisioner af hadroner. En hadron er en partikel, der består af en række kvarker, som holdes sammen af den subatomare stærke kraft. Protoner og neutroner er eksempler på en hadron. LHC anvender primært kollision af protoner i sine eksperimenter. Protoner er dele af atomer med en positiv ladning. LHC accelererer disse protoner gennem tunnelen, indtil de når næsten lysets hastighed. Forskellige protoner ledes gennem tunnelen i modsatte retninger. Når de kolliderer, skaber de forhold, der ligner det tidlige univers.

LHC forsøger at studere elementarpartikler og den måde, de interagerer på. Forskerne har brugt det til at lære om kvantefysik, og de håber at kunne lære meget mere om rum og tids struktur. De observationer, som forskerne er i stand til at foretage, kan hjælpe os med at lære, hvordan universet kan have været inden for millisekunderne efter big bang.

Hvordan LHC fungerer

Kort sagt accelererer LHC to stråler af partikler i hver sin retning rundt i den 27 km lange tunnel og får dem til at kollidere i særligt udstyrede detektorer. Nogle nøglepunkter:

  • Superledende magneter: For at holde og fokusere de hurtige partikler bruges hundreder af superledende magneter. De er nedkølet til omkring 1,9 kelvin ved hjælp af flydende helium, så materialet bliver superledende og kan skabe meget stærke magnetfelter (typisk flere tesla).
  • Høje energier: Designenergien er op til 7 TeV per protonstråle (14 TeV i kollision), mens LHC i drift nåede kollisionsenergier omkring 13–13,6 TeV i nyere driftsperioder. Den høje energi gør det muligt at skabe og studere tunge partikler, som ellers kun fandtes kort efter big bang.
  • Bunches og frekvens: Protonerne sendes som tætpakkede "bunches" (pakker) med meget kort afstand imellem (typisk 25 ns). Ved design var det tusinder af pakker per stråle, hver pakke kan indeholde omkring 10^11 protoner.
  • Detektorer og data: Når kollisioner sker, registreres millioner af signaler i komplekse detektorer. Data er enorme og sorteres hurtigt via såkaldte triggers – de vælger kun de mest interessante begivenheder til langtidslagring. Det globale LHC Computing Grid behandler og distribuerer data til forskere verden over.

Hovedeksperimenter

Langs tunnelen er flere store detektorer, som hver har sit fokus:

  • ATLAS og CMS: To generelle, meget store detektorer bygget til at måle et bredt spektrum af processer. Det var især disse to, der i 2012 offentliggjorde opdagelsen af Higgs-bosonen.
  • ALICE: Specialiseret i tunge ion-kollisioner (fx bly mod bly) for at studere kvark-gluon-plasma – en ekstrem tilstand af materie, som menes at have eksisteret lige efter big bang.
  • LHCb: Undersøger forskelle mellem stof og antistof (CP-violation) og søger forklaringer på, hvorfor universet i dag består af mere stof end antistof.

Vigtige resultater og mål

  • Higgs-bosonen: I 2012 blev en partikel konsistent med den forventede Higgs-boson opdaget — en af LHCs største succeser. Higgs-feltet forklarer, hvordan partikler får masse.
  • Søgning efter ny fysik: LHC søger efter fænomener, der går ud over Standardmodellen: mørkt stof-kandidater, ekstra dimensioner, supersymmetri og andre hypotetiske partikler.
  • Forståelse af tidligt univers: Ved at genskabe energitætheder fra de første øjeblikke efter big bang kan forskere studere faser, som ellers er umulige at observere direkte.

Sikkerhed og almindelige spørgsmål

Der har været mange spekulationer om farer ved at køre LHC, fx skabelse af sorte huller. CERN og uafhængige studier har vurderet, at LHC er sikker: selvom mikroskopiske sorte huller hypotetisk kunne dannes, ville de være ekstremt ustabile og forsvinde øjeblikkeligt via kvanteeffekter (Hawking-stråling). Desuden sker langt mere energirige kollisioner naturligt i jordens atmosfære fra kosmiske stråler uden skadelige konsekvenser.

Drift, opgraderinger og fremtid

LHC har haft flere driftsperioder og længere tekniske stop for vedligeholdelse og opgraderinger. Nogle vigtige punkter:

  • Første tænding var i 2008, og efter den indledende fase fulgte flere driftsperioder med progressive energier.
  • Efter planlagte ophold (såkaldte long shutdowns) er acceleratorens ydeevne og eksperimenternes følsomhed blevet forbedret.
  • HL-LHC (High-Luminosity LHC): En større opgradering, der skal øge antallet af kollisioner markant (højere luminositet). Målet er at samle op til 10 gange så meget data som før, hvilket øger chancen for at finde sjældne processer. Denne opgradering forventes at træde i kraft i løbet af 2020'ernes sene fase.

Internationale samarbejder og videnskabelig infrastruktur

LHC er et globalt projekt: tusinder af forskere, ingeniører og studerende fra institutioner i hele verden deltager i drift, analysen af data og udvikling af nye teknologier. Udover selve accelerator- og detektorfysikken har LHC bidraget til fremskridt inden for superledere, cryogenik, databehandling, og avanceret elektronik.

Opsummering: LHC er både et teknologisk vidunder og et centralt værktøj i moderne partikelfysik. Gennem kollisionsforsøg søger forskere at besvare grundlæggende spørgsmål om universets opbygning, fra de mindste partikler til de helt store kosmiske mysterier.