מאיץ LHC
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 (Linac4). המאיץ הקווי השני (Linac 3) משמש להאצת יונים של עופרת. במוצא המאיץ הקווי מתקבלים פרוטונים בעלי אנרגיה של MeV ‏160. 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.