Il Large Hadron Collider (in acronimo LHC, lett. "grande collisore di adroni") è un collisore di particelle situato presso il CERN di Ginevra, utilizzato per ricerche sperimentali nel campo della fisica delle particelle.
Caratteristiche
LHC è il collisore di particelle più grande e potente esistente sulla Terra. Si tratta di un collisore di adroni con una energia di circa 14 teraelettronvolt, costruito all'interno di un tunnel sotterraneo con una circonferenza di circa 27 km, a circa 100 m di profondità. Si trova nello stesso tunnel realizzato in precedenza per l'acceleratore LEP. I componenti più importanti del collisore sono 1232 magneti superconduttori a bassa temperatura, che hanno un campo intenso circa 8 tesla. Sono realizzati in lega di niobio e titanio e sono raffreddati alla temperatura di circa 2 K (circa -271 °C), utilizzando elio liquido.
La macchina concentra due fasci che circolano in direzioni opposte, all'interno dei tubi a vuoto. I fasci collidono in quattro punti lungo il percorso, dove il tunnel si allarga per lasciare spazio a grandi vani che ospitano i rivelatori. I quattro principali rivelatori di particelle sono ATLAS, di forma toroidale, il Solenoide compatto per muoni, LHCb, e ALICE, un collisore di ioni. I rivelatori utilizzano tecnologie diverse e operano intorno al punto in cui i fasci collidono. Nelle collisioni vengono prodotte numerose particelle, le cui proprietà vengono misurate dai rivelatori e inviate al centro di calcolo. Tra gli scopi principali degli studi vi è la ricerca di tracce dell'esistenza di nuove particelle.
Dopo un iniziale guasto che ha compromesso l'impianto di raffreddamento e provocato un fermo di circa un anno, LHC ha cominciato la sua campagna sperimentale alla fine del 2009. L'incidente è stato discusso in dettaglio dal fisico Lucio Rossi, all'epoca responsabile dei magneti superconduttori.
Nel 2018 è stata avviata l’attuazione di un progetto di miglioramento delle prestazioni, in particolare di incremento di un fattore 10 della luminosità del fascio (High luminosity LHC project).
Nel giugno 2026 sono stati avviati quattro anni di lavoro programmati per l'aggiornamento dell'acceleratore per renderlo in grado di rilevare la fisica subatomica con una precisione molto superiore al passato.
Finalità scientifiche
Dopo la dimostrazione dell'esistenza del bosone di Higgs, previsto dal Modello standard per dare origine alle masse delle particelle, i fisici di tutto il mondo si propongono di utilizzare LHC per avere risposte a varie questioni che reputano fondamentali per il proseguimento dell'indagine fisicaG. F. Giudice, Odissea nello zeptospazio: un viaggio nella fisica dell'LHC, Springer-Verlag Italia, Milano 2010, ISBN 978-88-470-1630-9.:
Qual è l'origine della massa dei barioni? Generando plasma di quark e gluoni si verificherà l'origine non-perturbativa di una larga frazione della massa dell'universo? Perché le particelle elementari presentano masse diverse? In altri termini, le particelle interagiscono con il campo di Higgs? Secondo alcune evidenze il 95% della massa-energia dell'universo ha una natura diversa da quella conosciuta. Di che si tratta? In altre parole, cosa sono la materia oscura e l'energia oscura? Esistono le particelle supersimmetriche? Esistono altre dimensioni oltre alle tre spaziali e quella temporale, come previste da vari modelli di teoria delle stringhe? Quali sono le caratteristiche della violazione di CP che possono spiegare l'asimmetria tra materia e antimateria, cioè la quasi assenza di antimateria nell'universo? Che cosa si può conoscere, con maggiore dettaglio, di oggetti già noti, come il quark top?
Esperimenti al LHC
Il programma scientifico di LHC prevede sette esperimenti. I due esperimenti più grandi sono ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) e CMS (Compact Muon Solenoid) che sono rivelatori di enormi dimensioni e avanzata tecnologia realizzati da collaborazioni internazionali comprendenti oltre fisici. L'esperimento LHCb è invece progettato per studiare la fisica dei mesoni B, mentre ALICE è ottimizzato per lo studio delle collisioni tra ioni pesanti. I due rivelatori più piccoli sono TOTEM e LHCf, specializzati per studiare le collisioni che producono particelle a piccolo angolo rispetto alla direzione dei fasci. L'ultimo esperimento ad essere stato avviato è l'esperimento MoEDAL, il cui obiettivo principale è cercare il monopolo magnetico.
Il primo fascio di protoni è circolato nel collisore il 10 settembre 2008 in mattinata. Le particelle sono state sparate nel collisore in senso orario alle 10:28 locali e successivamente è stato sparato in senso antiorario un fascio di protoni arrivato a destinazione alle 14:59.
Le prime "modeste" collisioni ad alta energia di 900 GeV sarebbero dovute avvenire nei primi giorni della settimana del 22 settembre 2008. A partire dal 12 ottobre 2008, prima dell'inaugurazione ufficiale (il 21 ottobre 2008), il LHC avrebbe già dovuto operare a un'energia di 1 TeV e nel 2009 avrebbe dovuto raggiungere l'energia di 7 TeV. I tempi si sono però piuttosto dilatati, poiché il 19 settembre 2008 si è verificato un guasto, che ha tenuto fermo il collisore per vari mesi.
Stato dei lavori + Cronistoria Data Evento 10 settembre 2008 Viene fatto passare a regimi minimi il primo protone all'interno del circuito. 19 settembre 2008 Un super-conduttore si danneggia causando la perdita di 6 tonnellate di elio liquido. 30 settembre 2008 La prima collisione prevista, a regimi medio-bassi, viene rimandata a causa del perdurare di problemi tecnici. 16 ottobre 2008 Viene pubblicata una prima analisi dell'incidente al super-conduttore. 21 ottobre 2008 Inaugurazione ufficiale. 5 dicembre 2008 Il CERN pubblica altre analisi dettagliate. 21 novembre 2009 LHC è stato riacceso a un'energia di 2,36 TeV (1,18 TeV per fascio). 23 novembre 2009 Prime collisioni con energia nel centro di massa di 900 GeV (450 GeV + 450 GeV). 30 novembre 2009 Raggiunti livelli di energia di 2,36 TeV nel centro di massa (nuovo record mondiale). 8 dicembre 2009 Per la prima volta osservate collisioni fra protoni con tutti gli apparati di rivelazione funzionanti a 2,36 TeV nel centro di massa.19 marzo 2010 Per la prima volta i due fasci di particelle raggiungono ciascuno i 3,5 TeV ma senza che i protoni vengano fatti collidere.30 marzo 2010 Prime collisioni protone-protone a 7 TeV nel centro di massa. La macchina supera nuovamente il record mondiale già ottenuto da LHC nel novembre 2009.30 giugno 2010 Ottenuto il nuovo record di luminosità istantanea di 8x1029 cm−2s−1, con tre bunch (pacchetti di protoni) per fascio ad alta intensità.14 luglio 2010 Ottenuta la luminosità record per LHC di 1030 collisioni per secondo per centimetro quadrato.20 agosto 2010 Raggiunto un nuovo record di luminosità istantanea: 6,5 × 1030 cm−2s−1.23 agosto 2010 Raggiunta la luminosità di 1031 cm−2s−1, con 48 pacchetti di protoni (bunch) alla volta con una densità singola arrivata a miliardi di protoni.14 ottobre 2010 Raggiunta la luminosità di 1032 cm−2s−1.4 novembre 2010 I primi fasci di ioni di piombo sono stati iniettati nella macchina senza comunque farli collidere.5 novembre 2010 I fasci di ioni sono stati accelerati fino a una energia di 1,38 TeV, nuovo record assoluto.7 novembre 2010 Prime collisioni di ioni accelerati fino a una energia di 1,38 TeV.22 aprile 2011 Raggiunta la luminosità di 4,67 × 1032 (nuovo record assoluto).25 luglio 2011 Registrato un eccesso di eventi nella regione, non ancora esclusa per l'esistenza del bosone di Higgs, tra i 114 e 140 GeV.22 agosto 2011 Esclusa l'esistenza dell'Higgs su gran parte della regione di massa compresa tra 145 e 466 GeV con una certezza del 95 per cento.25 novembre 2011 Esclusa l'esistenza dell'Higgs su gran parte della regione di massa compresa tra 141 e 476 GeV con una certezza superiore al 95 per cento.13 dicembre 2011 Resi noti risultati che indicano un eccesso di eventi nell'intervallo di massa intorno a 125 GeV.27 dicembre 2011 Annunciata la scoperta della particella χb(3P) (Chi bottom (3P)) composta da un quark beauty e dal suo antiquark.7 febbraio 2012 Resi noti ulteriori risultati degli esperimenti ATLAS e CMS che indicano una finestra energetica per l'eventuale bosone di Higgs fra i 124 GeV e i 126 GeV.13 febbraio 2012 Resa nota la decisione di aumentare l'energia di ciascun fascio, per il 2012, da 3,5 TeV a 4 TeV.30 marzo 2012 Prime collisioni protone-protone con energia nel centro di massa di 8 TeV, nuovo record assoluto.19 aprile 2012 Raggiunta la luminosità di 3,9 × 1033 collisioni per centimetro quadrato e per secondo utilizzando pacchetti per fascio.27 aprile 2012 Annunciata la scoperta dello stato eccitato della particella Ξb0 (Xi bottom) composta da un quark beauty, uno up e uno strange.16 maggio 2012 Annunciata la scoperta di 2 stati eccitati della particella Λb0 (Lambda bottom) composta da un quark beauty, uno up e uno down.4 luglio 2012 Annunciata la scoperta di una nuova particella che si presume sia il Bosone di Higgs, della massa di su 4,9 sigma. I dati analizzati finora sono coerenti con l'Higgs, tuttavia sono in corso ulteriori analisi.13 settembre 2012 Prime collisioni di protoni con ioni di piombo.17 marzo 2015 Migliorata la stima della massa del Bosone di Higgs al valore di .21 maggio 2015 Prime collisioni protone-protone all'energia di 13 TeV.25 novembre 2015 Prima collisione di ioni all'energia record di 1 PeV (equivalente a 5 TeV dei precedenti esperimenti) 23 aprile 2016 Raccolta dei dati 22 aprile 2022 Il Large Hadron Collider viene riattivato17 luglio 2023A causa di una disfunzione al sistema elettrico generale (causata da un violento temporale) vi è un incidente al sistema di refrigerazione30 ottobre 2023Si anticipano, dopo l'incidente, le collisioni con ioni di piombo prima della pausa invernale06 aprile 2024Si riavvia ufficialmente la raccolta dati Run3
Risultati A seguito dell'analisi delle 284 collisioni a 900 GeV, osservate nell'esperimento ALICE il 23 novembre 2009, gli scienziati dell'LHC hanno pubblicato le prime misure di densità della pseudorapidità η delle particelle cariche primarie. Nell'intervallo |η|<0,5 gli scienziati hanno ottenuto i seguenti valori: Tipo di interazioni dNch/dη Incertezzastatistica Incertezzasistematica anelastiche 3,10 ±0,13 ±0,22 diffrattive non-singole 3,51 ±0,15 ±0,25 Questi risultati sono compatibili con le precedenti misurazioni per le interazioni protone–antiprotone alla stessa energia nel centro di massa ottenute col collisore CERN Spp̅S.
Per la prima volta è stato osservato direttamente il jet quenching, analizzando le collisioni fra ioni di piombo osservate dall'esperimento ATLAS nel mese di novembre 2010. Questa asimmetria potrebbe derivare dalla formazione di plasma di quark e gluoni, che interferisce con i getti di particelle che lo attraversano.
Scoperta la particella χb(3P) composta da un quark beauty e dal suo antiquark.
Scoperto lo stato eccitato della particella Ξb0 composta da un quark beauty, uno strange e uno up.
Scoperti 2 stati eccitati della particella Λb0 composta da un quark beauty, uno down e uno up.
Scoperta una nuova particella compatibile con il Bosone di Higgs del Modello Standard.
Scoperte, nell'ambito dell'esperimento LHCb, le due particelle di natura barionica Xi_b'-, Xi_b*-<http://www.wired.it/scienza/lab/2014/11/20/particelle-lhc-barioni/
Sicurezza delle collisioni di particelle negli esperimenti al LHC