O gran colisor de hadróns ou gran colididor de hadrónsSobre a forma correcta, véxase Un idioma preciso . (en inglés: Large Hadron Collider ou LHC, siglas polas que é xeralmente coñecido) é o maior acelerador de partículas do mundo, e o que alcanza a maior enerxía. Foi construído pola Organización Europea para a Investigación Nuclear (CERN) entre 1998 e 2008, en colaboración con máis de 10.000 científicos en centos de universidades e laboratorios de máis de 100 países. Atópase nun túnel de 27 quilómetros de circunferencia e situado a unha profundidade de ata 175 metros, baixo a fronteira entre Francia e Suíza, preto de Xenebra, Suíza.

As primeiras colisións producíronse en 2010, cunha enerxía de 3,5 TeV por feixe, aproximadamente catro veces superior ó récord mundial anterior. O descubrimento do Bosón de Higgs no LHC anunciouse en 2012. Entre 2013 e 2015, o LHC permaneceu pechado para realizar traballos de actualización e mellora. Tras estas actualizacións, alcanzou os 6,5 TeV por feixe. A finais de 2018, pechouse para tarefas de mantemento e novas actualizacións, e reabriu máis de tres anos despois, en abril de 2022.

O colisor dispón de catro puntos de intersección nos que chocan as partículas aceleradas. Nove detectores, cada un deseñado para detectar fenómenos diferentes, están situados arredor destes puntos de intersección. O LHC fai colisionar principalmente feixes de protóns, pero tamén pode acelerar feixes de ións pesados, como nas colisións entre chumbo e chumbo e nas colisións de protóns e chumbo.

O obxectivo de LHC é permitir que os físicos poñan a proba as predicións de diferentes teorías da física de partículas, incluíndo a medición das propiedades do Bosón de Higgs, a procura da ampla familia de novas partículas predita polas teorías supersimétricas e o estudo doutras cuestións aínda sen resolver da física de partículas.

Contexto O termo hadrón refírese a partículas subatómicas compostas por quarks mantidos unidos pola forza forte (análoga á maneira en que os átomos e as moléculas están unidos pola forza electromagnética). Os hadróns máis coñecidos son os barións, como os protóns e os neutróns; os hadróns tamén inclúen mesóns, como o pión e o kaón, que foron descubertos durante experimentos con raios cósmicos a finais da década de 1940 e principios da década de 1950.

Un colisor é un tipo de acelerador de partículas que fai que dous feixes de partículas opostos se xunten de maneira que as partículas choquen. En física de partículas, os colisores, aínda que son máis difíciles de construír, son unha poderosa ferramenta de investigación porque alcanzan unha enerxía do centro de masas moito maior que as configuracións de branco fixo. A análise dos produtos secundarios destas colisións proporciona aos científicos evidencias importantes sobre a estrutura do mundo subatómico e as leis da natureza que o rexen. Moitos destes produtos secundarios só se producen en colisións de alta enerxía e desintégranse despois de períodos de tempo moi breves. Por iso, moitos deles son difíciles ou case imposibles de estudar doutras maneiras.

Obxectivo Moitos físicos esperan que o Gran Colisor de Hadróns axude a responder algunhas das cuestións fundamentais aínda abertas na física, relacionadas coas leis básicas que rexen as interaccións e forzas entre as partículas elementais e coa estrutura profunda do espazo e do tempo, especialmente coa relación entre a mecánica cuántica e a relatividade xeral.

Estes experimentos con partículas de alta enerxía poden proporcionar datos que permitan apoiar diferentes modelos científicos. Por exemplo, o Modelo Estándar e o modelo sen bosón de Higgs precisaron datos de experimentos con partículas de alta enerxía para validar as súas predicións e permitir un maior desenvolvemento teórico. O Modelo Estándar completouse coa detección do bosón de Higgs polo LHC en 2012.

As colisións do LHC permitiron investigar outras cuestións, entre elas: Teñen todas as partículas coñecidas socios supersimétricos, como parte da supersimetría nunha extensión do Modelo Estándar e da simetría de Poincaré? Existen dimensións adicionais, como predín varios modelos baseados na teoría de cordas, e podemos detectalas? Cal é a natureza da materia escura, unha forma hipotética de materia que aparentemente representa o 27 % da masa-enerxía do universo?

Outras cuestións abertas que poden ser investigadas mediante colisións de partículas de alta enerxía inclúen: Xa se sabe que o electromagnetismo e a forza nuclear débil son diferentes manifestacións dunha única forza denominada forza electrodébil. O LHC podería aclarar se a forza electrodébil e a forza nuclear forte son, do mesmo xeito, diferentes manifestacións dunha única forza universal unificada, tal e como predín diversas teorías da gran unificación. Por que a cuarta forza fundamental (gravidade) é moitas ordes de magnitude máis débil que as outras tres forzas fundamentais? Existen fontes adicionais de mestura de quarks de sabor máis alá das xa presentes no Modelo estándar? Por que existen aparentes violacións da simetría entre a materia e a antimateria? Cal é a natureza e cales son as propiedades do plasma de quarks e gluóns, que se pensa que existiu no universo primitivo e que existe actualmente en determinados obxectos astronómicos compactos e de materia estraña? Isto será investigado mediante colisións de ións pesados, principalmente en ALICE, pero tamén en CMS, ATLAS e LHCb. Observado por primeira vez en 2010, os resultados publicados en 2012 confirmaron o fenómeno do apagado de chorros (jet quenching) nas colisións de ións pesados.

Propósito

Moitos físicos esperan que o Gran Colisionador de Hadróns axude a responder algunhas das preguntas abertas fundamentais na física, que se refiren ás leis básicas que rexen as interaccións e forzas entre as partículas elementais e a estrutura profunda do espazo e o tempo, particularmente a interrelación entre a mecánica cuántica e a relatividad xeneral.

Estes experimentos de partículas de alta enerxía poden proporcionar datos para apoiar diferentes modelos científicos. Por exemplo, o modelo estándar requiriu datos de experimentos de partículas de alta enerxía para validar as súas predicións e permitir un maior desenvolvemento teórico. O modelo estándar completouse mediante a detección do bosón de Higgs polo LHC en 2012.

As colisións de LHC exploraron outras preguntas, incluíndo:

Todas as partículas coñecidas teñen parellas supersimétricas, como parte da supersimetría nunha extensión do Modelo Estándar e a simetría de Poincaré? Existen dimensións adicionais, tal e como predín varios modelos baseados na teoría de cordas, e podemos detectalas? Cal é a natureza da materia escura, unha forma hipotética de materia que parece representar o 27% da masa-enerxía do universo?

Outras preguntas abertas que poden explorarse usando colisións de partículas de alta enerxía inclúen:

Xa se sabe que o electromagnetismo e a forza nuclear débil son manifestacións diferentes dunha soa forza chamada forza electrodébil. O LHC pode aclarar si a forza electrodébil e a forza nuclear forte son de maneira similar só diferentes manifestacións dunha forza unificada universal, como se predí por varias Grandes Teorías de Unificación. Por que é a cuarta forza fundamental (gravidade) tantas ordes de magnitude máis débil que as outras tres forzas fundamentais? Hai fontes adicionais de mestura de sabor a quark máis aló das xa presentes dentro do Modelo Estándar? Por que hai aparentes violacións da simetría entre materia e antimateria? Cal é a natureza e as propiedades do plasma de quark-gluón, que se cre que existiu no universo temperán e en certos obxectos astronómicos compactos e estraños na actualidade? Isto investigarase mediante colisións de iones pesados, principalmente en ALICE, pero tamén en CMS, ATLAS e LHCb. Observados por primeira vez en 2010, os achados publicados en 2012 confirmaron o fenómeno de extinción de chorro en colisións de iones pesados.

miniatura|Lyn Evans, o líder do proxecto do Gran Colisionador de Hadrones O LHC entrou en funcionamento por primeira vez o 10 de setembro de 2008, pero as probas iniciais atrasáronse durante 14 meses desde o 19 de setembro de 2008 até o 20 de novembro de 2009, despois dun incidente de apagado de imáns que causou grandes danos a máis de 50 imáns superconductores, as súas montaxes e a tubaxe sen carga.

Durante a súa primeira execución (2010-2013), o LHC chocou con dous feixes de partículas opostas de protones de até 4 TeV, ou núcleos de chumbo (574 TeV por núcleo, ou 2,76 TeV por nucleón). Os seus primeiros descubrimentos incluíron o longamente buscado bosón de Higgs, varias partículas compostas (hadrones) como o estado de bottomonio, a primeira creación dun plasma de quark-gluón, e as primeiras observacións da moi rara descomposición do mesón Bs en dous muóns o que desafiou a validez dos modelos existentes de supersimetría.

Construción

Desafíos operativos O tamaño do LHC constitúe un desafío de enxeñaría excepcional con problemas operativos únicos debido á cantidade de enerxía almacenada nos imáns e os feixes. Durante o funcionamento, a enerxía total almacenada nos imáns é de GJ (2.400 quilogramos de TNT) e a enerxía total transportada polos dous feixes alcanza os MJ (173 quilogramos de TNT).

A perda de só unha parte de dez millonésima do feixe é suficiente para apagar un imán superconductor, mentres que cada un dos dous vertedoiros de feixe debe absorber MJ (87 quilogramos de TNT). Estas enerxías son transportadas por moi pouca materia: en condicións de funcionamento nominais, as tubaxes do feixe conteñen arredor 1.0×10−9 gramos de hidróxeno, que, en condicións estándar de temperatura e presión, enchería o volume dun gran de area fina.

Custo Cun orzamento de 7.500 millóns de euros, o LHC é un dos instrumentos científicos máis caros xamais construído. Espérase que o custo total do proxecto sexa de aproximadamente 4.600 millóns de francos suízos (uns 4.400 millóns de dólares, 3.100 millóns de euros ou 2.800 millóns de libras esterlinas en de xaneiro de 2010) para o acelerador e 1.160 millóns de francos suízos (uns 1.100 millóns de dólares, 0.800 millóns de euros ou 0.700 millóns de libras esterlinas en xaneiro de 2010) para a contribución do CERN aos experimentos.

A construción do LHC foi aprobada en 1995 cun orzamento de 2.600 millóns de francos suízos, aos que se engadiron outros 210 millóns de francos suízos para os experimentos. Porén, os sobrecustos, estimados nunha importante revisión realizada en 2001 en arredor de 480 millóns de francos suízos para o acelerador e 50 millóns de francos suízos para os experimentos, xunto cunha redución no orzamento do CERN, atrasaron a data de finalización de 2005 a abril de 2007. Os imáns supercondutores foron responsables de 180 millóns de francos suízos do incremento dos custos. Tamén se produciron custos adicionais e atrasos debido ás dificultades de enxeñaría atopadas durante a construción da cavidade para o solenoide de muón compacto, e debidos tamés ós soportes dos imáns, que foran deseñados cunha resistencia insuficiente e non superaron as probas iniciais (2007), e aos danos provocados por unha extinción da supercondutividade dun imán e pola fuga de helio líquido (nas probas inaugurais, en 2008). Debido a que os custos de electricidade son máis baixos durante o verán, o LHC normalmente non opera durante os meses de inverno, aínda que se fixeron excepcións durante os invernos 2009/10 e 2012/2013 para compensar os atrasos na posta en marcha de 2008 e para mellorar a precisión das medicións da nova partícula descuberta en 2012, respectivamente.

Deseño