Penumbuk Hadron Raksasa

Desain

LHC adalah pemercepat partikel terbesar sedunia. Penumbuk ini terletak dalam sebuah terowongan berbentuk lingkaran, dengan total panjang 27 kilometer (17 mi), dan kedalaman bervariasi antara 50 hingga 175 meter (164 hingga 574 ft) di bawah tanah.
Terowongan sepanjang 3,8-meter (12 ft) berlapis beton, dibangun tahun 1983-1988, sebelumnya pernah digunakan menjadi rumah Penumbuk Elektron-Positron Besar. Terowongan ini memotong perbatasan antara Swiss dan Prancis di 4 titik, namun sebagian besar ada di Prancis. Bangunan di permukaan memegang perlatan pendukung seperti kompresor, peraltan ventilasi, kontrol elektronik, dan pendinginan.
Terowongan penumbuk berisi 2 beamline (atau beam pipes) yang diletakkan sejajar dan berpotongan di 4 titik, masing-masing berisi sebuah beam, yang melintas dengan arah berlawanan disekitar cincin. Ada sejumlah 1.232 dipol magnet yang menjaga agar beam tetap pada lintasan melingkarnya (lihat gambar), dan ada tambahan 392 kuadrupol magnet yang digunakan untuk menjaga beam tetap fokus, dan kuadrupol magnet yang dekat dengan titik perpotongan dibuat lebih kuat agar memaksimalkan kemungkinan interaksi diamana kedua beam berpotongan. Magnet dengan kelipatan multikutub yang lebih tinggi digunakan untuk memperbaiki ketidaksempurnaan kecil pada geometri medan. Total, ada sekitar 10.000 magnet superkonduktor yang terpasang, dengan dipol magnet memiliki massa total lebih dari 27 ton. Sekitar 96 ton superfluida helium-4 diperlukan untuk menjaga magnet, yang terbuat dari niobium-titanium berlapis tembaga, agar tetap pada suhu operasinya di 1,9 K (−271,25 °C), menjadikan LHC sebagai fasilitas kriogenik terbesar sedunia.
Dengan beroperasi pada energi saat ini 6.5 TeV per proton, satu atau 2 kali sehari, proton dipercepat dari 450 GeV menjadi 6.5 TeV, medan dipol magnet superkonduktor akan meningkat dari 0,54 menjadi 7.7 tesla (T). Tiap proton memiliki energi sebesar 6.5 TeV, sehingga energi total tumbukannya adalah 13 TeV. Dengan energi ini, proton memiliki faktor Lorentz sebesar 6.930 dan bergerak dengan kecepatan 0.999999990 c, atau sekitar 3,1 m/s (11 km/h) lebih lambat dari laju cahaya (c). Dibutuhkan waktu kurang dari 90 mikrodetik (μs) untuk sebuah proton untuk sekali mengelilingi cincin utama – sekitar 11.000 putaran per detik. Tidak menggunakan beam kontinu, melainkan proton dikumpulkan bersama menjadi 2.808 ikatan, dengan 115 milyar proton pada tiap ikatannya, sehingga interaksi antara kedua beam berlangsung dengan interval diskret, sekitar 25 nanodetik (ns), menghasilkan laju tumbukan 40 MHz. Luminositas desain LHC adalah 10³⁴ cm⁻²s⁻¹, yang pertama kali dicapai bulan Juni 2016.
Sebelum diinjeksikan ke pemercepat utama, partikel dipersiapkan dengan beberapa sistem untuk meningkatkan energinya. Sistem pertama adalah pemercepat partikel linear LINAC 2 yang menghasilkan proton 50-MeV, yang kemudian masuk ke Proton Synchrotron Booster (PSB). Disini proton dipercepat menjadi 1.4 GeV dan diinjeksikan ke Proton Synchrotron (PS), dimana dipercepat lagi menjadi 26 GeV. Akhirnya Super Proton Synchrotron (SPS) digunakan untuk meningkatkan energinya menjadi 450 GeV sebelum akhirnya diinjeksikan (pada periode waktu beberapa menit) ke cincin utama. Disini proton dikumpulkan, dipercepat (dengan periode 20 menit) ke puncak energinya, dan akhirnya disirkulasi selama 5 sampai 24 jam dan tumbukan terjadi pada 4 titik perpotongan.
Program fisika LHC utamanya adalah tumbukan proton–proton. Namun, selama periode waktu pendek, biasanya sebulan dalam setahun, ada juga percobaan tumbukan ion-berat. Meski ion ringan juga dipergunakan, skema dasarnya menggunakan ion timbal (lihat Percobaan Tumbukan Ion Berat). Ion timbal pertama dipercepat dengan pemercepat linear LINAC 3, dan Low Energy Ion Ring (LEIR) digunakan sebagai penyimpan ion dan unit pendingin. Ion ini kemudian dipercepat lagi dengan PS dan SPS sebelum diinjeksikan ke cincin LHC, dimana energi yang dicapai adalah 2.3 TeV per nukleon (atau 522 TeV per ion), lebih tinggi daripada energi yang dicapai oleh Penumbuk Ion Berat Relativistik. Tujuan program ion-berat adalah untuk meneliti plasma kuark–gluon, yang pernah eksis pada waktu awal alam semesta.