מאיץ LHC
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 הנצפה, ואינו מציע השערות מספקות לגבי טיבם ומהותם של חלקיקי החומר האפל, שלפי מדידות אסטרונומיות מהווים את מרבית המסה 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 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.