בעיה נוספת, שמעמידה את המודל הסטנדרטי כולו בספק, היא העובדה שחלקיק מרכזי בתאוריה, בוזון היגס, טרם התגלה באופן ניסויי. ללא קיומו של בוזון זה, לא היה הסבר מספק להיותם של בוזוני W ו-Z בעלי מסה (ההסבר מכונה מנגנון היגס). בנוסף, גודל המסה של לפטונים ושל קווארקים מוערך במסגרת המודל הסטנדרטי באמצעות האינטראקציה שלהם עם שדה היגס. החיפושים אחר בוזון היגס החלו בשנות ה-60 של המאה ה-20, ביולי 2012 דווחו מדעני המאיץ על גילוי חלקיק המתאים לנתונים המשוערים של בוזון היגס ובמרץ 2013 דווחו כי הם משוכנעים שזהו אכן בוזון היגס. ב-8 באוקטובר הודיעה קרן נובל על הענקת פרס נובל לפיזיקה לפיטר היגס ופרנסואה אנגלר על גילוי החלקיק.
מאיץ LEP, שהאיץ אלקטרונים ופוזיטרונים, סיים את פעולתו בשנת 2000. הוא שימש למדידות מדויקות של תחזיות המודל הסטנדרטי, ולחיפוש אחר בוזון היגס ואחר חלקיקים סופר-סימטריים. בתחום הראשון הוא נחל הצלחה רבה, והמודל סטנדרטי זכה בעזרת המאיץ לאישושים רבים, אולם בשני התחומים הנוספים לא נרשמו הצלחות. לקראת מועד סיום הפעלתו של מאיץ LEP, הצליח הצוות הטכני להגיע לאנרגיה של מעל GeV 200 (מאתיים מיליארד אלקטרון וולט) בהתנגשות, אך גם באנרגיה זו לא התגלה בוזון היגס. ניתוח מדוקדק של כל האפשרויות שבהן יכול היה להיווצר חלקיק זה ב-LEP, הראה שהאפשרות שמסתו נמוכה מ-GeV 114 נשללה כמעט לחלוטין.
הקושי להמשיך ולהעלות את האנרגיה ב-LEP נבע מאיבודי אנרגיה הולכים וגדלים של החלקיקים הנעים במאיץ כתוצאה מקרינה סינכרוטרונית. איבודי אנרגיה אלה גדולים יותר ככל שמהירות החלקיקים קרובה יותר למהירות האור. על מנת להעלות עוד את האנרגיה בהתנגשות היה צורך להגדיל את רדיוס המאיץ, מה שהיה מחייב השקעה כספית עצומה נוספת, או שימוש בחלקיקים מסיביים יותר כדוגמת פרוטונים. במאיץ LHC נבחרה האפשרות השנייה.
לשימוש בהתנגשויות פרוטונים ישנם מספר חסרונות בהשוואה לשימוש באלקטרונים ובפוזיטרונים, אולם השיקול המכריע היה להגיע לאנרגיה גבוהה תוך זמן פיתוח קצר ככל האפשר. החסרון העיקרי של שימוש בפרוטונים הוא מורכבות אירועי ההתנגשות. באירועים אלו מופיעה כמות גדולה של חלקיקים שאינם קשורים ישירות לחלקיקים החדשים שנוצרו בעת האינטראקציה. כך, למשל, העובדה שהאינטראקציה מתרחשת בפועל בין מרכיבי הפרוטונים (קווארקים וגלואונים), מובילה ליצירת כמות גדולה של חלקיקים משאריות הפרוטונים, כלומר מקווארקים שלא השתתפו באינטראקציה שאותה רוצים לחקור.
מבין מאיצי החלקיקים שקדמו ל-LHC, היחיד שהגיע לאנרגיות גבוהות הוא המאיץ Tevatron שנמצא בארצות הברית. האנרגיה הכוללת המרבית בהתנגשויות ב-Tevatron עומדת על TeV 1.96 לעומת TeV 14 ב-LHC. בשנת 1993 ביטל הקונגרס של ארצות הברית פרויקט אחר, מאיץ SSC (Superconducting Super Collider), שהאנרגיה הכוללת בו הייתה אמורה להגיע ל-TeV 40. בשנת 1997 הצטרפה ארצות הברית ל-CERN במעמד של משקיפה. לארצות הברית וליפן, שהצטרפה ל-CERN במעמד של משקיפה שנתיים קודם לכן, היה תפקיד משמעותי בבניית רכיבי מאיץ LHC והניסויים הנלווים.
מטרות הניסוי.
מרבית הניסויים הפיזיקליים בהווה ובעבר התקיימו באנרגיות נמוכות יחסית, וזאת משום שהקניית אנרגיה רבה לחלקיקים בודדים היא פעולה מסובכת ויקרה. מסיבה זו, תמונת התופעות שמתרחשות באנרגיות נמוכות מובנת למדי. על מנת להרחיב את מאגר הידע הפיזיקלי הן לגבי תופעות נדירות בנות ימינו שמתרחשות באנרגיות גבוהות והן לגבי תופעות שהתרחשו באופן תדיר ביקום הקדום, בשנייה הראשונה שאחרי המפץ הגדול, יש צורך במתקני ניסוי דוגמת LHC. הניסויים שנערכו באמצעות LHC נותנים הזדמנות נדירה לחקור באופן מבוקר תופעות ייחודיות, שהבנתן תאפשר קבלת תמונה רחבה ומדויקת יותר של הרכב היקום, כמו גם שחזור בקנה מידה קטן של התנאים ששררו בעברו הקדום.
למאיץ LHC חשיבות רבה עבור פיזיקת החלקיקים. הוא יוכל לסייע בפתרון מספר בעיות פתוחות של ענף זה ולהרחיב את תמונת החלקיקים היסודיים.
בוזון היגס והמודל הסטנדרטי.
אחת הסיבות העיקריות שלשמן נבנה מאיץ LHC היא חיפוש אחר בוזון היגס, המהווה מרכיב מרכזי במודל הסטנדרטי של החלקיקים היסודיים. למעשה, ללא קיומו של בוזון היגס, המודל הסטנדרטי אינו מצליח להסביר את היותם של פרמיונים ובוזוני W ו-Z בעלי מסה, או, במילים אחרות, התמונה הנוכחית של החלקיקים האלמנטריים תלויה בקיומו של בוזון זה.
בוזוני היגס הם חלקיקים וירטואליים הנוצרים ונעלמים באופן ספונטני. שאר חלקיקי המודל הסטנדרטי מקיימים אינטראקציה עם בוזון היגס, גם אם הוא וירטואלי. מנגנון היגס, המבוסס על שבירת סימטריה ספונטנית, מראה כיצד עוצמת האינטראקציה קשורה למסת הפרמיונים ומדוע לבוזוני W ו-Z יש מסה.
על מנת להוכיח את קיומו של בוזון היגס היה צורך לייצר בוזון היגס ממשי (לא וירטואלי) ולגלות את תוצרי ההתפרקות שלו.
ב-4 ביולי 2012, שתי קבוצות המחקר העיקריות במאיץ החלקיקים, ATLAS ו-CMS, דיווחו בנפרד על קיום חלקיק במסה של 125 GeV/C2 (מסה של 133 פרוטונים, סדר גודל של 10-25 ק"ג), דבר המתיישב עם ערך צפוי לבוזון היגס. החוקרים ציינו שדרושה עבודה נוספת כדי לאשר שזהו אכן בוזון היגס ולא חלקיק לא-מוכר אחר בעל תכונות הדומות לתכונות תאורטיות של בוזון היגס.
ב-14 במרץ 2013 הודיעו הפיזיקאים במאיץ החלקיקים בשווייץ כי הם משוכנעים במידה רבה שהחלקיק אותו הם גילו הוא אכן בוזון היגס. על תגלית זו ב-8 באוקטובר הודיעה קרן נובל על הענקת פרס נובל לפיזיקה לפיטר היגס ופרנסואה אנגלר על גילוי החלקיק.
במסגרת המודל הסטנדרטי נערכו באמצעות LHC מדידות נוספות שאמורות המשפרות את דיוקן של מדידות קודמות שנעשו במאיץ LEP וב-Tevatron. בין השאר, ייעשה ניסיון לקבוע בצורה מדויקת את מסתו של קווארק t שהתגלה בשנת 1995. מציאת המסה תיעשה בעזרת שחזור הקווארק קצר-החיים מתוך תוצרי ההתפרקות שלו. מדידות נוספות יעסקו בתהליכים שבהם נוצרים בוזוני W ו-Z. תחום נוסף שייחקר ב-LHC הוא שבירתה של סימטריית CP. שבירת סימטריה זו קשורה לפער העצום שבין כמות החומר לכמות האנטי-חומר ביקום.
סופר-סימטריה.
מספר תאוריות חדשות, המנסות להרחיב את המודל הסטנדרטי, ייבדקו ב-LHC. המרכזית שבהן, סופר-סימטריה, חוזה את קיומו של אוסף חלקיקים המקביל לחלקיקי המודל הסטנדרטי המוכרים. חלקיקים אלו נקראים שותפי-על. אם תאוריה זו נכונה, צפוי להתגלות בניסוי מספר רב של חלקיקים חדשים. מסתם של חלקיקים אלו תהיה גדולה יחסית (אחרת הם היו מתגלים בניסויים קודמים). קרוב לוודאי שחלקיקים אלו קצרי-חיים, ועל כן שחזורם ייעשה בעזרת תוצרי התפרקותם, אולם ייתכן שאחד החלקיקים הסופר-סימטריים יציב ונייטרלי מבחינת מטענו החשמלי. חלקיק זה לא יגיב עם הגלאים, ונוכחותו תאותר באמצעות מציאת אנרגיה חסרה. לקיומו של חלקיק מסיבי ויציב כזה משמעות רבה, משום שהוא יכול להוות מרכיב מרכזי של החומר האפל שביקום.
ממדים נוספים.
למאיץ LHC תהיה יכולת ייחודית לבדוק מספר תחזיות הקשורות לתורת המיתרים, תאוריה מדעית חדשה יחסית המנסה לשלב בין ארבעת כוחות היסוד שבטבע, והיא מועמדת עיקרית לתפקיד "התאוריה של הכול". את תורת המיתרים קשה מאוד לבדוק בניסוי, וטרם נמצאו לה אישושים. אחת מתחזיותיה היא ממדי מרחב נוספים - בין 6 ל-26 ממדים נסתרים מהעין המתווספים לממדי "ימין-שמאל", "מעלה-מטה" ו"קדימה-אחורה" המוכרים מחיי היום-יום. חישובים מראים כי יש סיכוי קטן שחלק מהחלקיקים שייווצרו בהתנגשויות ב-LHC יגיעו לאחד מהממדים הנוספים, ואנו נוכל להבחין באנרגיה ש"נעלמה" כתוצאה מכך. מדידת אנרגיה חסרה, יחד עם מציאת חלקיקים שנחזים על ידי מודלים של ממדים נוספים, יכולים לספק אישוש ראשוני לקיומם של ממדים אלו. אם אכן יוכח קיומם של ממדים נוספים, וכן של שותפי-על, יהיה זה אישור לכך שתורת המיתרים צועדת בכיוון הנכון.
חורים שחורים זעירים.
אפשרות נוספת, הקשורה אף היא לאחד המודלים במסגרת תורת המיתרים, היא יצירה של חורים שחורים זעירים. חורים שחורים אינם חייבים להיות עצמים ענקיים בגודלם, בגודל של כוכבים כמו השמש. למעשה, חור שחור עשוי להיות גם בגודל של גרגר חול, כל עוד הוא דחוס מספיק. מקובל להניח שהמסה המינימלית של חור שחור היא מסדר גודל של מסת פלאנק, הרבה יותר ממסות החלקיקים שייווצרו בניסוי. אולם, תאוריה של ממדים נוספים גדולים (באופן יחסי) צופה מסת פלאנק נמוכה, כלומר פותחת את הדלת ליצירתם של חורים שחורים זעירים בניסוי LHC. הפופולריות של התאוריה נובעת מיכולתה להסביר את ההבדל העצום בין עוצמתה הנמוכה של הכבידה ובין עוצמתם הגדולה יחסית של כוחות היסוד האחרים (בעיית ההיררכיה). חורים שחורים זעירים, אם ייווצרו במאיץ LHC, צפויים לדעוך תוך פרק זמן קצר ביותר באמצעות קרינת הוקינג.
התנגשויות יונים.
ניסויי התנגשויות יונים, שיערכו בחלק מזמן הפעלת המאיץ, קשים יותר לניתוח, עקב הכמות הגדולה של החלקיקים שינועו בגלאים לאחר ההתנגשויות. מטרתם העיקרית היא לנסות להגיע למצב של פלזמת קווארקים-גלואונים שהיא בעצם מצב חדש של החומר. משערים שבתנאי אנרגיה גבוהה, הקווארקים מופרדים מהגלואונים ואינם כלואים יחד בתוך ההאדרונים. מקובל להניח שחומר במצב זה התקיים במהלך השנייה הראשונה שלאחר המפץ הגדול.
חששות בטיחותיים.