מאיץ LHC

מאיץ LHC (באנגלית: Large Hadron Collider) הוא מאיץ החלקיקים הגדול בעולם, הממוקם במרכז המחקר CERN על גבול שווייץ-צרפת. השם LHC משמש הן לתיאור המאיץ הטבעתי המרכזי, שנבנה במנהרה ששימשה עד שנת 2000 את מאיץ LEP, והן לתיאור הפרויקט כולו, שנחשב לפרויקט הראשי של CERN בשני העשורים הראשונים של המאה ה-21. הפרויקט כולל מכלול של מאיצים ושל ניסויים פיזיקליים שמתבצעים בעזרת גלאֵי חלקיקים.
הניסויים שנערכים באמצעות המאיץ נועדו לענות על שאלות העומדות בבסיס הפיזיקה. מטרתם העיקרית היא להשלים את תמונת חלקיקי היסוד ולחפש אישושים לתאוריות שנועדו להרחיב את המודל הסטנדרטי של החלקיקים היסודיים או להחליף אותו. בפרט, הוא נועד לחפש את החלקיק בוזון היגס שקיומו נחזה על ידי המודל הסטנדרטי והוא מהווה מרכיב מרכזי בו, חיפוש שהוכתר בהצלחה בשנת 2013; למצוא ראיות לתורת הסופר-סימטריה שמהווה הרחבה למודל הסטנדרטי; ליצור פלזמת קווארקים-גלואונים ששררה, על פי התאוריה המקובלת, ביקום הקדום זמן קצר לאחר המפץ הגדול; ולנסות ליצור חורים שחורים זעירים.
חלקו המרכזי של המאיץ בנוי בתוך מנהרה טבעתית שאורכה כ-27 קילומטר. המתקן מסוגל להאיץ פרוטונים בשני צינורות (beam pipes) מקבילים, שמתאחדים לצינור אחד סמוך למספר נקודות אינטראקציה (interaction points) לאורך מסלול המאיץ. בנקודות אלו מתרחשת אינטראקציה (התנגשות) בין פרוטונים הנעים בכיוונים מנוגדים. האנרגיה של חלקיק עולה ככל שמהירותו גדלה. האנרגיה של הפרוטונים הנעים בצינורות ה-LHC מגיעה ל-TeV ‏7 (שבעת אלפים מיליארד אלקטרון וולט; פי 7,461 מאנרגיית המנוחה של הפרוטון) ומהירות תנועתם מגיעה ל-99.9999991% ממהירות האור בריק. בחלק מהזמן יואצו במאיץ גרעיני עופרת. בחינת החלקיקים שייווצרו כתוצאה מהתנגשויות הפרוטונים או היונים תיעשה באמצעות גלאֵי חלקיקים גדולים.
בניית המאיץ היא הפרויקט הגדול ביותר בתולדות הפיזיקה מבחינת מספר הפיזיקאים שהשתתפו בו, והוא שני רק לתוכניות החלל מבחינת ההשקעה הכספית. בבנייתו, ובבניית הגלאים הנלווים, השתתפו יותר מ-5,000 פיזיקאים מיותר מ-40 מדינות, ויחד עמם עבדו על הפרויקט אלפי מהנדסים וטכנאים. עלותו הכוללת מוערכת בלמעלה מ-5 מיליארד אירו. הרעיון להקים מאיץ פרוטונים בקנה מידה כזה ב-CERN עלה כבר בשנות ה-80 של המאה ה-20, והאישור לתוכנית הראשונית להקמתו התקבל ב-1994. ישראל נוטלת חלק בניסוי: היא השתתפה בבניית גלאים המיועדים לאחד הניסויים המרכזיים שבו, ניסוי ATLAS, וסיפקה רכיבים למערכות אחרות בניסוי.

הפעלת המאיץ ותקלות שהתגלו לאחר הפעלתו

הרכבת המאיץ ורוב חלקי הגלאים הסתיימה ב-2008, וזאת לאחר דחיות רבות. המאיץ הופעל לראשונה ב-10 בספטמבר 2008 בשעה 9:30 (שעון שווייץ). לאחר תשעה ימי הפעלה התגלתה תקלה חמורה שתיקונה ארך כשנה לערך - התחממות המגנטים הדיפוליים גרמה לדליפת הליום שהשביתה את המאיץ עד ספטמבר 2009. באוקטובר 2009, לאחר החלפת 57 מגנטים, הופעל המאיץ במתח נמוך בקטע אחד, לצורך בדיקה. התגלה כי אחד מחלקי המערכת מתחמם מעל סף הבטיחות ולכן האוטומט המפקח על בטיחות המערכת שיתק מיד את כל המערכת. בדיעבד הסתבר כי ציפור הפילה חתיכת לחם על אחד החלקים, וזו הסיבה כנראה לקצר מקומי שנגרם לאותו חלק. ב־21 בנובמבר 2009 חזר המאיץ לפעול. שתי אלומות ניסיוניות ברמת אנרגיה נמוכה, שנשלחו זו לקראת זו, הפגישו שני פרוטונים. הניסוי היה בעוצמה של גיגה-אלקטרון-וולט, שהיא כשליש מהאנרגיה הדרושה למציאת חלקיק בוזון היגס. הניסוי נועד בעיקר לכיול מערכות המאיץ ובדיקת מכשור תחנת הניסיונות. ב-30 בנובמבר שלחו בהצלחה אלומת פרוטונים בעוצמת אנרגיה של 1.18 טרה-אלקטרון-וולט (TeV) ובכך עברו את שיא ההספק הקודם מ-2001, שהיה של 0.98 טרה-אלקטרון-וולט (הושג במעבדות פרמי בארצות הברית). לקראת סוף דצמבר הופעל המאיץ בעוצמה של 2.36 טרה-אלקטרון-וולט. ב-30 במרץ 2010 נקבע במאיץ השיא הנוכחי, של 7 טרה-אלקטרון-וולט, בהתנגשות בין אלומות של פרוטונים.
המאיץ צפוי לפעול במשך שש שנים לפחות, עם הפסקות ביניים לצורך תחזוקה.
מדענים שהתבקשו לבדוק את בטיחות המאיץ קבעו שאין סכנה בהפעלתו.

השיקולים שהובילו לבניית המאיץ

תחום פיזיקת החלקיקים הגיע לקראת סוף המאה ה-20 למצב שבו הענף התאורטי מקדים באופן ניכר את הענף הניסויי, כלומר קיימות תאוריות רבות שקשה לפיזיקאים הנסיינים לאשש אותן באמצעות ניסוי. הקושי נובע בעיקר מכך שאפקטים ייחודיים לתאוריות אלו מופיעים בדרך כלל באנרגיות גבוהות, ולשם בדיקתם יש צורך במאיצי חלקיקים שמסוגלים להגיע לאנרגיות אלו.
המודל הסטנדרטי של החלקיקים היסודיים היא תאוריה שסיפקה השערות ותחזיות רבות גם בתחומי אנרגיה נמוכים יחסית, כאלו שניתן היה לבדוק במאיצי החלקיקים שהוקמו במהלך המאה ה-20. התאוריה זכתה למספר גדול מאוד של אישושים ניסיוניים. למעשה, תאוריה זו, ובמיוחד החלק שלה שעוסק באלקטרודינמיקה קוונטית, יכולה להיחשב לתאוריה המדויקת ביותר בפיזיקה.
עם זאת, ברור כיום שהמודל הסטנדרטי אינו מספק תמונה מלאה של החלקיקים האלמנטריים. הכישלון הבולט ביותר של המודל הסטנדרטי הוא ההשערה שלפיה חלקיקי נייטרינו הם חסרי מסה. השערה זו התגלתה כשגויה, ומחייבת, לכל הפחות, להכניס תיקון למודל הסטנדרטי. בנוסף, קיימות תופעות שאותן המודל הסטנדרטי אינו מצליח להסביר כלל. כך, למשל, הוא אינו מסביר את ההבדל הגדול בכמות החומר והאנטי-חומר שביקום, ואינו מציע השערות מספקות לגבי טיבם ומהותם של חלקיקי החומר האפל, שלפי מדידות אסטרונומיות מהווים מרכיב מרכזי ביקום. אי לכך, הוצעו תאוריות המהוות מעין הרחבה של המודל הסטנדרטי, כלומר המודל הסטנדרטי הוא קירוב שלהן באנרגיות נמוכות. כזו, למשל, היא תורת הסופר-סימטריה. לצורך בדיקת התאוריות הללו יש צורך במתקני ניסוי שבהם נוצרים חלקיקים בתנאים של אנרגיה גבוהה.
בעיה נוספת, שמעמידה את המודל הסטנדרטי כולו בסכנה, היא העובדה שחלקיק מרכזי בתאוריה, בוזון היגס, טרם התגלה באופן ניסויי. ללא קיומו של בוזון זה, אין כיום 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 שייערכו 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. אם בוזון היגס אכן קיים, הרי שבוזוני היגס וירטואליים נוצרים 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 יש 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. ב-8 באוקטובר הודיעה קרן נובל על הענקת פרס נובל לפיזיקה לפיטר היגס ופרנסואה אנגלר על גילוי החלקיק.
במסגרת המודל הסטנדרטי ייערכו באמצעות LHC מדידות נוספות שאמורות לשפר 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. בניגוד לסברה המקובלת, 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

קבוצה בהנהגתם של ולטר וגנר (קצין בטיחות גרעיני לשעבר, אשר התנגד בשעתו להפעלת מאיץ RHIC מסיבות דומות) ואוטו רסלר (ביוכימאי גרמני) הביעה ספקות בקשר לבטיחות של ה-LHC, וניסתה לבלום את תחילת הניסויים באמצעות עתירות שהוגשו לבתי-המשפט בארצות הברית ובאירופה. הם טענו כי לניסויים יש פוטנציאל ליצירת חורים שחורים זעירים במהירות נמוכה, אשר עשויים לצבור מסה שמקורה בכדור הארץ או לשחרר קרינה מסוכנת, ובכך להוביל ל"תרחיש יום הדין" ולהשמדתו של כדור הארץ. סיכונים אפשריים נוספים שהוצגו הם יצירה של מוזרונים, מונופולים מגנטיים ובועות ריק.
בשנת 2003 בחנה קבוצת מדענים בשם "קבוצת חקר הבטיחות של LHC" ‏ (LHC Safety Study Group) את הניסויים המתוכננים. הם הסיקו כי בדומה לניסויים קודמים, כגון מאיץ RHIC, אין בהפעלת LHC סכנה כלשהי. בחינה נוספת של הראיות, שהזמינה CERN ב-2008, קבעה בשנית שהפעלת ה-LHC בטוחה, וזאת בהתחשב במחקרים נוספים שנערכו מאז הבחינה הראשונה, חמש שנים קודם לכן. בחינה זו עברה ביקורת עמיתים והתפרסמה בכתב עת מדעי.
מסקנות המאמר הן כי ניתן לפסול את "תרחישי יום הדין" ב-LHC מאחר שהתנאים הפיזיקליים והאירועים הצפויים להתרחש בניסויים במאיץ מתרחשים למעשה באופן טבעי וקבוע ביקום, ללא תוצאות הרות-אסון. באופן ספציפי, לגבי סכנה אפשרית בהיווצרותם חורים שחורים זעירים טוען המאמר שהתאוריה הנוגעת להתפרקותם באמצעות קרינת הוקינג מבוססת, ושאי-קיומו של חוק שימור הנוגע לכמות החורים השחורים מונע את אפשרות קיומם של חורים שחורים זעירים יציבים. על פי המאמר, סדר הגודל של אורך חיי החורים השחורים צפוי להיות ‎10⁻²⁷‎ שניות. בנוסף לכך, טוען המאמר ששכיחותם של אירועים בעלי אנרגיה שווה לאנרגיה בניסוי או גבוהה ממנה מתרחשים באופן תדיר ביקום, והיווצרותם של חורים שחורים זעירים יציבים הייתה אמורה להתגלות מזמן על פני כדור הארץ ובעזרת תצפיות אסטרונומיות על גרמי השמיים.
כצפוי החששות לגבי הבטיחות של ה-LHC גרמו להתעניינות תקשורתית רבה ולעניין ציבורי בפרויקט. בשבועות שלפני הפעלת הניסוי נפוצו שמועות על כך שכדור הארץ צפוי כביכול להיהרס עקב פעולת המאיץ. מספר רב של כתבות בישראל ובעולם התייחס לנושא, חלקן ברצינות וחלקן בהומור, ומדענים ניסו להרגיע את הציבור. הניסיונות להסבר לא מיגרו את החששות מפני הפעלת המאיץ, שנפוצו ברחבי העולם, ואף הובילו נערה בת 16 מהודו לשלוח יד בנפשה.
אף על פי שהטענות על סכנה ממשית לכדור הארץ כנראה אינן מבוססות, הפעלת המאיץ מחייבת אמצעי בטיחות מיוחדים. קרן הפרוטונים עלולה לגרום לפגיעה במגנטים במקרה של התנגשות הקרן עם קירות הצינור שבתוכו היא נעה. בנוסף לכך, התנגשויות אלו, שלא ניתן למנוע אותן לחלוטין, יגרמו להפיכת החומרים שמרכיבים את הצינורות, את המנהרה ואת הגלאים לרדיואקטיביים. עקב העומק שבו נמצא הניסוי (כ-100 מטר מתחת לפני האדמה), אין בכך סכנה כלשהי לציבור.

מבנה

הפרוטונים שנעים במאיץ נוצרים במתקן הקרוי דואופלזמטרון (duoplasmatron). מקורם בגז מימן שמוזרם פנימה ומיונן בעזרת אלקטרונים חופשיים שנפלטים מהקתודה. גרעיני אטומי המימן, הפרוטונים, מכוונים בעזרת מגנטים לעבר האנודה ועוזבים את המתקן. האנרגיה שלהם בשלב זה היא keV ‏92. האנרגיה מוגברת ל-keV ‏ 750 בעזרת מתקן הקרוי RF quadrupole. מתקן זה, הבנוי כמשדר רדיו, משמש הן להאצה והן לריכוז הקרן. בשלב זה קרן הפרוטונים מעוצבת בצורת קבוצות של פרוטונים (bunches). כל קבוצת פרוטונים מכילה כ-100 מיליארד פרוטונים בצפיפות נמוכה למדי.
הפרוטונים ממשיכים משם לעבר אחד משני המאיצים הקוויים (LINAC2). המאיץ הקווי השני משמש להאצת יונים. במוצא המאיץ הקווי מתקבלים פרוטונים בעלי אנרגיה של MeV ‏50. המאיץ הקווי הוא בעצם מהוד מחילה (cavity resonator) שמקבל גלי רדיו דרך גלבו ופולט קרינה אלקטרומגנטית בתדר התהודה שלו לעבר קרן הפרוטונים (אופן פעולתו דומה לאופן הפעולה של תנור מיקרוגל).
הפרוטונים עוברים מהמאיץ הקווי לסדרה של שלושה סינכרוטרונים מעגליים ששימשו בניסויים קודמים של CERN והותאמו לניסוי הנוכחי. הראשון שבהם, ה-PSB ‏ (Proton Synchrotron Booster), שבנוי בצורת ארבע טבעות מקבילות, מעלה את האנרגיה ל-GeV ‏1.4. המאיץ השני, מאיץ PS‏ (Proton Synchrotron), שהחל לעבוד בשנת 1959, מאיץ את הפרוטונים ל-GeV ‏28. אורכו 628 מטרים בלבד. המאיץ השלישי, מאיץ SPS ‏ (Super Proton Synchrotron), מוציא פרוטונים בעלי אנרגיה של GeV ‏450. פרוטונים אלו מוכנסים לטבעת הגדולה של ה-LHC. שרשרת המאיצים הזו תעבוד בתפוקה מלאה בעת מילוי הפרוטונים לתוך ה-LHC. כשמספר קבוצות הפרוטונים ב-LHC מגיע ל-2,808 קבוצות, מאיצי הביניים מפסיקים את פעולתם.
חלקו המרכזי של מאיץ ה-LHC ממוקם במנהרה טבעתית באורך 26,659 מטרים שנבנתה עבור מאיץ LEP. מאיץ LEP, שסיים את פעולתו בשנת 2000, האיץ אלקטרונים ופוזיטרונים ומבנהו לא התאים להאצת פרוטונים. על כן היה צורך להרכיב במנהרה מאיץ חדש. המאיץ החדש בנוי בצורת צינור שבו שני צינורות חלולים סמוכים. שני הצינורות מוליכים פרוטונים בכיוונים מנוגדים. הצורך במאיץ תת-קרקעי נבע מהרצון להקטין את השפעת הקרינה קוסמית על רישומי הגלאים, ומהדרישה להקטין את סכנת החשיפה לקרינה רדיואקטיבית עקב הפיכתם של חומרים בצינור המאיץ ובסביבתו לרדיואקטיביים לאחר פגיעה של פרוטונים אנרגטיים.
לצורך הובלת הפרוטונים במסלול טבעתי משתמשים ב-1,232 מגנטים דיפוליים שמייצרים שדה מגנטי של 8.33 טסלה. השדה המגנטי גורם לכוח לורנץ שפועל על הפרוטונים כלפי מרכז המעגל. על כל אחד מצינורות הפרוטונים יש להפעיל שדה מגנטי הפוך בכיוונו, משום שהפרוטונים נעים בכיוונים מנוגדים. בניית המגנטים הללו היוותה את אחד האתגרים הטכנולוגיים הגדולים של מאיץ ה-LHC והם מרכיבים אחוז נכבד מעלות המאיץ. הם בנויים מחומר מוליך-על ולצורך פעולתם המאיץ כולו מקורר לטמפרטורה של 271.25- מעלות צלזיוס (1.9 מעלות בלבד מעל האפס המוחלט) בעזרת הליום במצב של נוזל-על. חלק ניכר מצריכת החשמל האדירה של המאיץ, 120 מגה-ואט בממוצע ו-180 מגה-ואט בקיץ, משמש לקירורו. בתוך המאיץ יש תנאי ריק שנועדו למנוע התנגשות של הפרוטונים עם מולקולות האוויר. לחץ האוויר בצינורות המאיץ עומד על ‎10⁻¹³‎ אטמוספירות בלבד.
לפרוטונים הנעים במאיץ הראשי יש אנרגיה של TeV ‏7 (כלומר, סך של TeV ‏14 בהתנגשות). הם מואצים בעזרת מהודי מחילה המפוזרים לאורך המאיץ. מגנטים קוואדרפוליים שמוצבים בסמוך לנקודות האינטראקציה נועדו לרכז את קרן הפרוטונים שמתרחבת עקב התנגשויות בין פרוטונים באלומה והתנגשויות עם מולקולות האוויר המעטות שנותרו בצינור. אורכה של קבוצת פרוטונים עומד על כמה סנטימטרים, ואילו קוטרה משתנה בין מילימטר אחד כשהיא רחוקה מנקודות האינטראקציה ובין 16 מיליוניות מטר לאחר הריכוז שמבצעים המגנטים הקוואדרפוליים. בסך הכל מוצבים לאורך חלקו המרכזי של ה-LHC כ-9,300 מגנטים המשמשים לכיוון הקרן, ו-16 מהודי מחילה, 8 לכל קרן, המשמשים לשמירה על אנרגיה קבועה של הפרוטונים. ללא המהודים האנרגיה עלולה לרדת כתוצאה מקרינה סינכרוטרונית. מרווח הזמן בין כל שתי קבוצות פרוטונים עומד על 25 ננו-שניות (שקול ל-7 מטרים וחצי בעת תנועה במהירות האור), כלומר הן חוצות את נקודות האינטראקציה בקצב של 40 מגה-הרץ.
לפי התכנון המקורי, במהלך שלוש השנים הראשונות יעבוד המאיץ בקצב התנגשויות נמוך, כלומר כמות הפרוטונים בכל קבוצה יהיה נמוך יחסית. בממוצע תתרחשנה שתי אינטראקציות בעת חציית שתי קבוצות המגיעות מכיוונים מנוגדים לנקודת ההתנגשות. לאחר שלוש שנים אלו המאיץ ישודרג וקצב ההתנגשויות צפוי לעלות פי 10. בשלב מתקדם יותר של הפעלת המאיץ ייתכן שדרוג נוסף. ברוב האינטראקציות בין שני פרוטונים יתרחש פיזור פרוטונים בלבד. התהליכים המעניינים יותר הם אלו שבהם ייווצרו חלקיקים חדשים. בתהליכים אלו מעורבים רק שני מרכיבים של הפרוטונים: קווארק או גלואון מהפרוטון הראשון וקווארק או גלואון מהפרוטון השני. אי לכך, רק חלק מסכום האנרגיות של שני הפרוטונים (TeV ‏14) זמין באינטראקציה לצורך יצירת חלקיקים חדשים.
ניתן יהיה להשתמש ב-LHC גם כדי להאיץ יונים. אלו יהיו גרעיני עופרת בעלי מטען חשמלי חיובי של e‏ 82+ (e מסמל את מטענו של פוזיטרון אחד). אנרגיית ההתנגשות במצב כזה תהיה TeV ‏1,150. האנרגיה הגבוהה מושגת בזכות מסת המנוחה הגבוהה של הגרעינים עצמם ובזכות מהירות תנועתם. היונים שיתחילו את מסלולם במאיץ הקווי המכונה LINAC1 יעברו דרך שאר המאיצים, בדומה לפרוטונים. הזמן שיוקצב לניסויי יונים צפוי להיות קטן יחסית.
חמישה מכשירי ניסויים נבנו עבור ה-LHC. שניים מהם, ניסוי ATLAS (ATLAS) וניסוי CMS, הם גלאי חלקיקים גדולים ו"רב-תכליתיים". שניים נוספים (LHCb ו-ALICE) הם בגודל בינוני, ולהם תפקידים ייחודיים יותר. נלווים אליהם שני ניסויים קטנים: TOTEM ו-LHCf.
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.

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

מאז 1994 השתתפו מדענים ישראלים באחד משני הניסויים המרכזיים של LHC, ניסוי ATLAS. שלוש קבוצות מחקר מישראל, ממכון ויצמן למדע, מאוניברסיטת תל אביב ומהטכניון, נטלו חלק בתכנון אחד מסוגי גלאי המיואונים של הניסוי (גלאי TGC). בניית הגלאים, ששטחם הכולל עומד על כ-7,200 מ"ר, נעשתה ברובה בישראל; חלק קטן מהגלאים נבנה ביפן ובסין על פי התכנון הישראלי. לאחר תום שלב פיתוח, שארך כשש שנים, הוקדשה תקופה דומה לבניית הגלאים. הרכבת הגלאים במקומם, שבה השתתף צוות ישראלי, ארכה כשנתיים והסתיימה ב-2008.
מדינת ישראל, בעיקר באמצעות הקרן הלאומית למדע, השתתפה במימון בניית גלאי החלקיקים "אטלס", בסכום של כ-10 מיליון דולר. ראש קבוצת המחקר הישראלית בניסוי ATLAS הוא גיורא מיקנברג.
כעת שותף הצוות הישראלי בהפעלת הגלאי, בפיתוח גלאים עתידים לשדרוג הגלאי הקיים ובעיקר בניתוח של הנתונים.