בקצב התנגשויות מלא (high luminosity) תתרחשנה מיליארד אינטראקציות בשנייה, אולם הגלאים לא יוכלו להתייחס לכולן בנפרד משום שמספר אינטראקציות המתרחשות בעת מעבר אחד של שתי קבוצות פרוטונים דרך נקודת אינטראקציה נרשמות יחד ברכיבי הזיכרון (אין אפשרות להפריד ביניהן). כאמור, לפי ההנחה רוב האינטראקציות הללו לא ישאו מידע מעניין וההתייחסות אליהן תהיה כ"רעש רקע" של האינטראקציות המעניינות. אם כך, בשלב הראשון יירשמו ברכיבי הזיכרון כ-40 מיליון אירועי אינטראקציה בשנייה, וזאת בהתאם לקצב המעבר של קבוצות הפרוטונים דרך נקודות האינטראקציה. מתוך 40 מיליון האירועים, הניסויים הגדולים (אטלס ו-CMS) ירשמו רק כ-100 אירועים לשנייה בזיכרון לטווח ארוך. אלו יהיו אירועים שיעברו מספר שלבי סינון (trigger), ועל כן הם יהיו מועמדים להכיל תהליכים מעניינים במיוחד. האירועים הללו ינותחו מאוחר יותר על ידי פיזיקאים החברים בניסוי.
כמות המידע שתיווצר בניסויים השונים של מאיץ LHC צפויה להיות מסדר גודל של 15 פטה-בייט לשנה, וזאת לאחר סינון אינטנסיבי של אירועים המקושרים לתהליכים מוכרים בכל אחד מהניסויים. שמירת המידע ועיבודו תתבצע בזכות תשתית מחשוב סריגי גדולה הקרויה LCG (LHC Computing Grid). תשתית זו נבנתה במקביל לבניית המאיץ ונוסתה בעת ביצוע הדמיות רחבות היקף לפני תחילת הניסויים. המידע יגובה בעזרת הקלטה על סרט מגנטי בתוך CERN.
מהלך הניסוי.
המאיץ המרכזי הופעל לראשונה ב-10 בספטמבר 2008 בשעה 9:30 (שעון שווייץ). בהפעלה זו נבדקה תנועת קרן הפרוטונים בשני הכיוונים, אולם טרם התבצעו התנגשויות בין קבוצות פרוטונים. כעבור יום אחד התגלה כשל תפקודי בשנאי שמשקלו 30 טון המשמש בתהליך קירור המגנטים הדיפוליים לטמפרטורה של 1.9 קלווין. אחרי תיקון התקלה, הופעל המאיץ מחדש.
ב-19 בספטמבר 2008 הופסקה הפעילות עקב התחממות מספר מגנטים דיפוליים הנמצאים בקטע שבין גלאי אליס לגלאי CMS. כתוצאה מהתחממותם בכ-100 מעלות צלזיוס הם הפסיקו לתפקד כמוליכי-על. התברר שהתקלה נבעה ככל הנראה מחיוט שגוי של כבלי החשמל למגנטים. החיוט השגוי גרם לקצר חשמלי שבעקבותיו התרחשה דליפה של טון הליום לתוך המאיץ.
על מנת לתקן את התקלה במאיץ, יש לחמם תחילה את המגנטים, משום שרק כך ניתן לגשת אליהם ולטפל בהם. תהליך זה אורך כחודש. אחר כך יש לקרר אותם שוב לצורך הפעלתם כמוליכי-על. הקירור אורך גם הוא כחודש. במקביל יש לשאוב את ההליום מתוך המאיץ.
בדצמבר 2008 יצאה הודעה מטעם מנהלי הפרויקט כי התקלה חמורה משחשבו, כתוצאה מהקשת החשמלית ודליפת ההליום שארעה אחרי פתיחת המגנטים נגרם נזק לחלק מהקטעים שבתחום 23 עד 31, בחלקם נזק קריטי שכולל הריסת מעטפת ופגיעה בבסיס הבטון.
גלאֵי חלקיקים.
ניסוי ATLAS.
ניסוי ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) הוא גלאי חלקיקים רב-תכליתי שנועד לגלות את החלקיקים החדשים שייווצרו בניסוי ואת תוצרי הדעיכה שלהם. גילוי תוצרי הדעיכה של חלקיקים קצרי-חיים יאפשר את שחזורם המלא. ניסוי ATLAS ממוקם בתוך אולם תת-קרקעי גדול, והוא בנוי בצורה של גליל שקוטרו 22 מטר ואורכו 44 מטר. הניסוי עצמו מורכב ממיליוני חיישנים השייכים ל-4 אזורי גילוי עיקריים:
מתוך כמיליארד אינטראקציות בשנייה, המתרחשות ב-40 מיליון מעברים של קבוצות פרוטונים האחת דרך השנייה, יכולה מערכת אחסון המידע של אטלס לשמור 100 אירועים בשנייה לכל היותר. חלק מחיישני המיואונים (TGC ו-RPC), יחד עם המידע שמגיע מהקלורימטרים, נועדו לספק טריגר (trigger) לאטלס. הטריגר אמור להחליט תוך זמן קצר אם אירוע התנגשות ספציפי מכיל מידע מעניין ויש טעם לשמור אותו בזיכרון, או שמא עדיף למחוק אותו ולפנות את הזיכרון לאירועים אחרים. הטריגר מורכב משלושה שלבים, כשהראשון מיושם בחומרה. ישראל הייתה שותפה בתכנון מנגנון הטריגר של אטלס.
לאטלס יש יכולת לאתר גם חלקיקים שאין להם אינטראקציה עם החיישנים שלו. הדבר נעשה באמצעות מדידת גודל הקרוי "אנרגיה חסרה". ערכה של האנרגיה החסרה מוסק מתוך מדידת האנרגיה והתנע של החלקיקים שמגיבים עם חיישני הגלאי. על ידי שימוש בחוק שימור האנרגיה ובחוק שימור התנע, לפיהם האנרגיה והתנע לפני ההתנגשות שווים לאנרגיה ולתנע אחריה, ועקב העובדה שהקווארקים או הגלואונים שנוטלים חלק באינטראקציה נושאים תנע בעיקר בכיוון תנועת קרן הפרוטונים, ניתן למצוא אנרגיה ותנע חסרים במישור שמאונך לכיוון תנועת הקרן (הוא קרוי המישור הטרנסוורסיאלי). ערך גבוה של אנרגיה חסרה יכול להצביע על מעבר של חלקיק שלא הגיב עם הגלאים, דוגמת הנייטרלינו, חלקיק סופר-סימטרי שמועמד להוות מרכיב מרכזי של החומר האפל ביקום.
ניסוי CMS.
ניסוי CMS (Compact Muon Solenoid) הוא אחד משני הניסויים הגדולים של LHC. הניסוי בנוי סביב אחת מנקודות האינטראקציה של המאיץ וממוקם בצרפת, סמוך לגבול עם שווייץ. גודלו דומה לגודלו של ניסוי ATLAS ומטרותיו זהות. ההחלטה לבנות שני ניסויים בעלי אותן מטרות נועדה לספק אמצעי בדיקה נוסף במקרה של גילויים חשובים.
בדומה לאטלס, CMS מכיל ארבעה חלקים עיקריים:
ההבדל המרכזי בין המבנה של CMS למבנה של אטלס הוא מיקום המגנטים שנועדו לכופף את מסלולם של חלקיקים טעונים ובכך לאפשר את מדידת המטען החשמלי שלהם ואת התנע. המגנט המרכזי של CMS, מגנט סולנואיד עשוי ממוליך על, המסוגל ליצור שדה מגנטי של 4 טסלה, ממוקם מסביב לקלורימטרים ומשפיע על שלוש שכבות הגילוי הפנימיות, בניגוד למגנט דומה באטלס שממוקם סביב הגלאי הפנימי בלבד. ב-CMS, כמו באטלס, מגנט נוסף ממוקם בתוך גלאי המיואונים. הוא נועד לעקם את מסלולם של המיואונים ולאפשר מדידה מדויקת נוספת של המטען ושל התנע שלהם. חשיבותם של חלקיקים אלו בתהליכים רבים, כמו למשל בתהליכים שבהם עשויים להיווצר בוזוני היגס או חלקיקים סופר-סימטריים, והעובדה שהם לא נבלעים בקלורימטרים, הייתה שיקול מרכזי בבניית גלאי המיואונים הגדולים בשני הניסויים.
ניסוי LHCb.
ניסוי LHCb (LHC-beauty) נועד לבצע מדידות של אירועים בהם נוצרים מזונים מסוג b, המכילים את הקווארק התחתון (באנגלית: Bottom Quark וגם Beauty Quark, ומכאן השם). הוא נועד לחקור את ההתפרקויות של מזונים אלו ולנסות לשפר את ההבנה של מנגנוני שבירת סימטריית CP. שבירת סימטריית CP מהווה תנאי חיוני בתאוריות המסבירות את ההפרש הגדול בין כמות החומר והאנטי-חומר ביקום, הפרש שמקורו בשלב הבאריוגנזה (באנגלית: Baryogenesis, תהליך היווצרות הבאריונים) שהתרחש זמן קצר לאחר המפץ הגדול.
החלקיקים שנוצרים כתוצאה מהתפרקות מזוני b צפויים לנוע בזווית קטנה יחסית לאלומת הפרוטונים, ועל כן הניסוי כולו נבנה לאורך צינור הפרוטונים, ולא מסביב לנקודת האינטראקציה כמו ניסוי ATLAS או CMS. הגלאים השונים בניסוי נועדו לאתר את הנקודה המדויקת בה המזונים התפרקו (הם צפויים לעבור כמה סנטימטרים לפני התפרקותם), ולזהות את תוצרי ההתפרקות. מדידת אופני ההתפרקות השונים תאפשר את חישובם של פרמטרים הקשורים לשבירת סימטריית CP.
ניסוי אליס.
ניסוי אליס (A Large Ion Collider Experiment) מיועד לחקור אירועי התנגשות של יוני עופרת. בניגוד לניסויי אטלס ו-CMS, שיכולים גם הם לחקור אירועים כאלו, ניסוי אליס מיועד באופן בלעדי לבדיקת התוצרים של התנגשויות יונים מסיביים באנרגיה גבוהה. הוא נועד בעיקר לבדוק את אפשרות יצירת מצב מסוים של חומר הקרוי פלזמת קווארקים-גלואונים. משערים שחומר במצב זה שרר ביקום במהלך השנייה הראשונה לאחר המפץ הגדול, לפני שנוצרו ההאדרונים הראשונים. מצב זה מתאר חומר שבו הקווארקים והגלואונים אינם כלואים יחד בתוך ההאדרונים. מטרה נוספת של אליס היא הבנת מקור המסה של הנוקליאונים. ידוע שמסה זו גדולה בהרבה ממסות הקווארקים שמרכיבים אותם, והסיבה לכך לא מובנת די צורכה.
רוב הגלאים של אליס מוצבים בתוך מגנט גדול שמעקם את מסלולם של חלקיקים טעונים. מספר שכבות של גלאי מסלול מסוגים שונים מוצבים סביב נקודת האינטראקציה. זיהוי החלקיקים מתבצע בעזרת גלאים ייחודיים, כמו גלאי פוטונים, קלורימטר אלקטרומגנטי וגלאי מיואונים. הגלאים משמשים לשחזור המצב של פלזמת קווארקים-גלואונים על ידי מדידת תכונותיהם של ההאדרונים ושאר החלקיקים שנוצרים לאחר שהפלזמה מתקררת.
ניסויי TOTEM ו-LHCf.
ניסוי TOTEM (Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation) ממוקם על צינור הפרוטונים סמוך לנקודת האינטראקציה של ניסוי CMS. הוא מודד את הכמות של הפרוטונים שמתפזרים בזוויות נמוכות מאוד יחסית לקרן הפרוטונים. TOTEM מורכב מגלאים שמוצבים בסמוך לקרן הפרוטונים. בעת פעולה יציבה של המאיץ, הגלאים מתקרבים עד כדי מילימטר אחד מהקרן, ופרוטונים שיסטו מהקרן יתגלו בעזרת הגלאים. מדידת הכמות שלהם יכולה לסייע במציאת הנוהר (luminosity) - שטף החלקיקים במאיץ. מדידה מדויקת של הנוהר, שקשור לקצב ההתנגשויות ב-LHC, חיונית לצורך כיול התוצאות של שאר הניסויים. היות שפיזור הפרוטונים תלוי בגודלם, ניסוי TOTEM יכול לסייע גם במדידת קוטרו של הפרוטון.
ניסוי LHCf (Large Hadron Collider forward) ממוקם בסמוך לניסוי ATLAS. תפקידו לגלות פאיונים שנוצרים בעת האינטראקציה בין הפרוטונים ונעים בזוויות נמוכות מאוד יחסית לקרן הפרוטונים. מדידת הכמות והאנרגיה שלהם יכולה לסייע בהבנת התנהגותן של קרניים קוסמיות בעלות אנרגיה גבוהה מאוד (ultra high energy cosmic rays).
ישראל ומאיץ LHC.