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大型ハドロン衝突型加速器（LHC）は、世界最大かつ最高エネルギーの粒子加速器です。[ 1 ] [ 2 ]これは、欧州原子核研究機構（CERN）が1998年から2008年にかけて、10,000人を超える科学者と、100か国以上の数百の大学や研究所と協力して建設しました。 [ 3 ]ジュネーブ近郊のフランスとスイスの国境の地下、周囲27キロメートル（17マイル）、深さ175メートル（574フィート）のトンネル内にあります。
2010年に最初の衝突が達成され、ビームあたり3.5テラ電子ボルト（TeV）のエネルギーとなり、これは以前の世界記録の約4倍でした。 [ 4 ] [ 5 ] LHCでのヒッグス粒子の発見は2012年に発表されました。2013年から2015年の間にLHCは停止され、アップグレードされました。これらのアップグレードの後、ビームあたり6.5 TeV（総衝突エネルギー13.0 TeV）に達しました。[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] 2018年末にメンテナンスとさらなるアップグレードのために停止され、3年以上後の2022年4月に再開されました。[ 10 ]
衝突型加速器には、加速された粒子が衝突する4つの交差点があります。9つの検出器[ 11 ]が、それぞれ異なる現象を検出するように設計されており、交差点の周囲に配置されています。LHCは主に陽子ビームを衝突させますが、鉛-鉛衝突や陽子-鉛衝突などの重イオンビームを加速することもできます。[ 12 ]
LHCの目標は、ヒッグス粒子の特性を測定すること[ 13 ]、超対称性理論によって予測される新しい粒子の大きなファミリーを探すこと[ 14 ]、および素粒子物理学におけるその他の未解決の問題を研究することなど、素粒子物理学のさまざまな理論の予測を物理学者がテストできるようにすることです。
ハドロンという用語は、強い力によって結合されたクォークから構成される素粒子 を指します（原子や分子が電磁力によって結合しているのと同様です）。[ 15 ]最もよく知られているハドロンは、陽子や中性子などのバリオンです。ハドロンには、1940年代後半から1950年代前半にかけての宇宙線実験で発見されたパイ中間子やカオンなどの中間子も含まれます。 [ 16 ]
衝突型加速器は、 2 つの反対方向の粒子ビームを近づけて粒子を衝突させるタイプの粒子加速器です。素粒子物理学において、衝突型加速器は、固定ターゲット方式よりもはるかに高い重心エネルギーに到達できるため、構築は困難ですが、強力な研究ツールとなっています。[ 1 ]これらの衝突の副産物を分析することで、科学者は素粒子世界の構造とそれを支配する自然法則に関する確かな証拠を得ることができます。これらの副産物の多くは高エネルギー衝突によってのみ生成され、非常に短い時間で崩壊します。そのため、他の方法では研究することが困難またはほぼ不可能な場合が多くあります。 [ 17 ]
多くの物理学者は、大型ハドロン衝突型加速器が、素粒子間の相互作用や力、空間と時間の深層構造、特に量子力学と一般相対性理論の相互関係など、物理学における根本的な未解決問題の解決に役立つことを期待している。[ 18 ]
これらの高エネルギー粒子実験は、さまざまな科学モデルを裏付けるデータを提供することができます。たとえば、標準模型とヒッグスレス模型は、予測を検証し、さらなる理論的発展を可能にするために、高エネルギー粒子実験データを必要としました。標準模型は、2012年にLHCによるヒッグス粒子の検出によって完成しました。[ 19 ]
LHC衝突では、以下のような他の疑問も探求されてきました。[ 20 ] [ 21 ]
高エネルギー粒子衝突を用いて探求できる可能性のあるその他の未解決問題には、以下のようなものがある。
衝突型加速器は、円周26.7キロメートル（16.6マイル）の円形トンネル内に設置されており、地下50メートルから175メートル（164フィートから574フィート）の深さにある。深さにばらつきがあるのは、ジュラ山脈の下にあるトンネルの長さを減らし、そこに垂直アクセスシャフトを掘削する必要がないようにするためである。トンネルが選ばれたのは、地表の高価な土地を購入する必要がなく、地殻が提供する背景放射線に対する遮蔽効果を利用するためである。[ 30 ]
1983年から1988年にかけて建設された幅3.8メートル（12フィート）のコンクリートで覆われたトンネルは、かつては大型電子陽電子衝突型加速器（LEPC）の格納庫として使用されていた。[ 31 ]このトンネルはスイスとフランスの国境を4箇所で横断しており、その大部分はフランス領内にある。地上の建物には、圧縮機、換気装置、制御電子機器、冷凍設備などの補助機器が設置されている。
衝突トンネルには、それぞれビームを含む2つの隣接する平行ビームライン（またはビームパイプ）があり、それらはリングの周りを反対方向に進み、ビームはリングの周りの4つの点で交差し、そこで粒子の衝突が起こります。約1,232個の双極子磁石がビームを円形の経路上に維持し（図[ 32 ]を参照）、さらに392個の四重極磁石がビームを集束させるために使用され、2つのビームが交差する場所での相互作用の可能性を最大化するために、より強力な四重極磁石が交点の近くに配置されています。より高次の多重極磁石は、磁場形状の小さな不完全性を修正するために使用されます。合計で約10,000個の超伝導磁石が設置されており[ 33 ] 、 1,232個の双極子磁石のそれぞれは35トンの質量を持っています。[ 34 ]銅被覆ニオブチタン製の磁石を動作温度1.9 K (-271.25 °C)に保つには、約96トンの超流動ヘリウム4が必要であり、LHCは液体ヘリウム温度で世界最大の極低温施設となっている。LHCは470トンのNb-Ti超伝導体を使用している。 [ 35 ]
LHCの運転中、CERNの敷地はフランスの電力網から約200MWの電力を消費するが、これは比較するとジュネーブ市のエネルギー消費量の約3分の1に相当する。LHCの加速器と検出器はそのうち約120MWを消費する。[ 36 ]運転中は毎日140テラバイトのデータを生成する。[ 37 ]
陽子1個あたり6.5 TeVのエネルギーで1日に1回または2回運転する場合、陽子が450 GeVから6.5 TeVに加速されるにつれて、超伝導双極子磁石の磁場は0.54テスラから7.7テスラ（T）に増加します。陽子はそれぞれ6.5 TeVのエネルギーを持ち、合計衝突エネルギーは13 TeVになります。このエネルギーでは、陽子のローレンツ因子は約6,930で、約0.999 999 990 c、つまり光速（c ）より約3.1 m/s（11 km/h）遅い速度で移動します。陽子がメインリングを26.7 km周するのに90マイクロ秒（μs）未満かかります。この結果、主環内の粒子のエネルギーが低いか高いかにかかわらず、陽子は毎秒11,245 回転する。これは、これらのエネルギー間の速度差が小数点以下第 5 位を超えるためである。 [ 39 ]
連続ビームではなく、陽子は最大2,808 個のバンチに束ねられ、各バンチには1,150 億個の陽子が含まれるため、2 つのビーム間の相互作用は離散的な間隔で発生し、主に25ナノ秒(ns)間隔で発生し、バンチ衝突率は 40 MHz になります。最初の数年間は、より少ないバンチで運用されていました。LHCの 設計ルミノシティは10 34 cm −2 s −1であり、[ 40 ] 2016 年 6 月に初めて達成されました。[ 41 ] 2017 年までに、この値の 2 倍が達成されました。[ 42 ]
主加速器に注入される前に、粒子は一連のシステムによってエネルギーを段階的に増加させながら準備されます。最初のシステムは、160 MeVの負の水素イオン（H −イオン）を生成する線形粒子加速器Linac4で、これはプロトンシンクロトロンブースター（PSB）に供給されます。そこで、水素イオンから両方の電子が剥ぎ取られ、原子核のみが残り、1つの陽子になります。これらの陽子は2 GeVまで加速され、プロトンシンクロトロン（PS）に注入され、そこで26 GeVまで加速されます。最後に、スーパープロトンシンクロトロン（SPS）を使用してエネルギーをさらに450 GeVまで増加させ、最終的に（数分間かけて）主リングに注入されます。ここで、陽子の束が蓄積され、（ 20分間かけて）ピークエネルギーまで加速され、最後に4つの交点で衝突が発生する間、5～24時間周回されます。[ 43 ]
LHCの物理プログラムは主に陽子-陽子衝突に基づいています。しかし、通常1年に1か月という短い運転期間中は、重イオン衝突もプログラムに含まれます。より軽いイオンも考慮されますが、基本計画では鉛イオンを扱います[ 44 ]（「大型イオン衝突実験」を参照）。鉛イオンはまず線形加速器LINAC 3で加速され、低エネルギーイオンリング（LEIR）がイオン貯蔵および冷却ユニットとして使用されます。その後、イオンはPSとSPSでさらに加速され、LHCリングに注入され、そこで核子 あたり2.3 TeV （またはイオンあたり522 TeV）のエネルギーに達します[ 45 ] 。これは相対論的重イオン衝突器で達成されるエネルギーよりも高い値です。重イオンプログラムの目的は、初期宇宙に存在したクォーク-グルーオンプラズマを調査することです[ 46 ]。
LHCの交差点に掘られた大きな洞窟には、9つの検出器が建設されている。そのうちの2つ、ATLAS実験とコンパクトミューオンソレノイド（CMS）は、大型の汎用粒子検出器である。[ 2 ] ALICEとLHCbはより専門的な役割を担っており、残りの5つ（TOTEM、MoEDAL、LHCf、SND、FASER）ははるかに小さく、非常に専門的な研究用である。ATLASとCMS実験はヒッグス粒子を発見したが、これは標準模型が素粒子に質量を与える正しいメカニズムを持っているという強力な証拠である。[ 47 ]
LHCによって生成されるデータ、およびLHC関連のシミュレーションは、年間200ペタバイトと推定されている。 [ 48 ]
LHCコンピューティンググリッド[ 49 ]は、LHCの設計の一環として、衝突実験で発生する膨大なデータを処理する目的で構築されました。これは国際的な共同プロジェクトであり、当初は35か国の140の計算センター（ 2012年時点では40か国以上で170以上）を接続するグリッドベースのコンピュータネットワークインフラストラクチャで構成されています。LHCコンピューティンググリッドは、LHC実験で生成される膨大な量のデータを処理するためにCERNによって設計され、 [ 50 ] CERNから世界中の学術機関へのデータ転送を可能にするために、プライベート光ファイバーケーブルリンクと既存の高速公共インターネットの両方を組み込んでいます。LHCコンピューティンググリッドは、ヨーロッパ、アジア太平洋、アメリカ大陸にまたがるグローバルフェデレーションで構成されています。[ 48 ]
分散コンピューティングプロジェクトLHC@homeは、LHCの建設と較正を支援するために開始されました。このプロジェクトはBOINCプラットフォームを使用しており、インターネット接続とMac OS X、Windows、またはLinuxを実行しているコンピュータがあれば誰でも、コンピュータのアイドル時間を使用してビームパイプ内で粒子がどのように移動するかをシミュレートできます。この情報により、科学者はリング内のビームの最も安定した「軌道」を得るために磁石をどのように較正すべきかを決定できます。[ 51 ] 2011年8月には、実際のテストデータと比較するためのシミュレーションを実行し、結果の信頼度を決定する2番目のアプリケーション（Test4Theory）が稼働しました。
2012年までに、6京を超えるデータ（6 × 10 15 ) LHC の陽子-陽子衝突が解析された。[ 52 ] LHC コンピューティング グリッドは 2012 年に世界最大のコンピューティング グリッドとなり、40 か国以上にまたがる世界規模のネットワークで 170 を超えるコンピューティング施設で構成されている。[ 53 ] [ 54 ] [ 55 ]
LHCは2008年9月10日に初めて稼働を開始したが[ 56 ] 、 50個以上の超伝導磁石、その取り付け部、真空パイプに広範囲にわたる損傷を与えた磁石クエンチ事故のため、初期試験は2008年9月19日から2009年11月20日まで14ヶ月間延期された[ 57 ] [ 58 ] [ 59 ] [ 60 ]。
LHCは最初の運転期間（2010～2013年）に、最大4テラ電子ボルト（4 TeVまたは0.64マイクロジュール）の陽子、または鉛原子核（原子核あたり574 TeV、または核子あたり2.76 TeV ）のいずれかの2つの対向する粒子ビームを衝突させた。[ 61 ] [ 62 ] 最初の運転期間の発見には、長年探し求められていたヒッグス粒子、 χb （3P）ボトモニウム状態のようないくつかの複合粒子（ハドロン）、クォークグルーオンプラズマの最初の生成、および既存の超対称性モデルの妥当性に疑問を投げかける、 Bs中間子の2つのミューオンへの非常にまれな崩壊（Bs0 → μ + μ− ）の最初の観測が含まれていた。[ 63 ]
LHC のサイズは、磁石とビームに蓄積されるエネルギー量のために、独特の運用上の問題を伴う並外れたエンジニアリング上の課題となっています。[ 43 ] [ 64 ]運転中、磁石に蓄積される総エネルギーは10 GJ (2,400 キログラムの TNT)であり、2 つのビームによって運ばれる総エネルギーは724 MJ (173 キログラムの TNT)に達します。[ 65 ]
ビームのわずか1000万分の1（10⁻⁷ ）の損失でも超伝導磁石を消光するのに十分であり、2つのビームダンプはそれぞれ362 MJ（TNT換算で87キログラム）のエネルギーを吸収しなければならない。これらのエネルギーはごくわずかな物質によって運ばれる。通常の運転条件（ビームあたり2,808バンチ、バンチあたり1.15× 10¹¹個の陽子）では、ビームパイプには1.0×10⁻⁹グラムの水素が含まれており、これは標準温度と圧力条件下では細かい砂粒1粒分の体積を満たす量である。
2010年6月時点で75億ユーロ （約90億ドルまたは61億9000万ポンド）の予算で LHCは、これまでに建設された科学機器の中で最も高価なものの1つです[ 1 ]。[ 66 ]プロジェクトの総費用は約46億スイスフラン（SFr）（ 2010年1月時点で約44億ドル、31億ユーロ、または28億ポンド）になると予想されています。 アクセラレーターには 11.6億スイスフラン ( 2010年1月時点で約11億ドル、8億ユーロ、7億ポンド) が割り当てられた。 ）実験へのCERNの貢献に対して。[ 67 ]
LHCの建設は1995年に26億スイスフランの予算で承認され、実験用にさらに2億1000万スイスフランが割り当てられました。しかし、2001年の大規模な見直しで推定された、加速器で約4億8000万スイスフラン、実験で5000万スイスフランのコスト超過とCERNの予算削減により、完成予定日は2005年から2007年4月に延期されました。[ 68 ]超伝導磁石がコスト増加の1億8000万スイスフランを占めていました。また、コンパクトミューオンソレノイドの空洞建設中に遭遇した技術的な困難[ 69 ]、設計が不十分で初期テスト（2007年）に失敗した磁石支持部、磁石のクエンチと液体ヘリウムの漏洩による損傷（2008年の最初のテスト）により、さらなるコストと遅延が発生しました。[ 70 ]電気料金が夏季の方が安いため、LHCは通常、冬季には稼働しませんが、[ 71 ] 2008年の起動遅延を補うため、また2012年に発見された新粒子の測定精度を向上させるために、2009/10年と2012/2013年の冬季には例外的に稼働しました。
2022年のロシアによるウクライナ侵攻により、CERNにおけるロシア人の関与が疑問視されるようになった。職員の約8%がロシア国籍である。2022年6月、CERNは、理事会がベラルーシおよびロシアとの協力協定を、それぞれ2024年6月と12月に期限切れとなる時点で「終了させる意向」であると発表した。CERNは、ウクライナ情勢を監視し、必要に応じて追加措置を講じる用意があると述べた。[ 80 ] [ 81 ] CERNはさらに、2022年のウクライナのCERNへの拠出金を、既に組織に送金された金額に減額し、拠出金の第2回目の分割払いを免除すると発表した。[ 82 ]
LHCは、2010年から2012年と2015年の2回の運転において、当初は計画された運転エネルギーよりも低いエネルギーで運転され、 最初の運転ではわずか2 x 4 TeV、2回目の運転では2 x 6.5 TeVまでエネルギーが上昇し、設計エネルギーの2 x 7 TeVを下回りました。これは、巨大な超伝導磁石は、超伝導能力を失うことなく高電流を扱うためにかなりの磁石トレーニングが必要であり、高電流は高い陽子エネルギーを可能にするために必要だからです。「トレーニング」プロセスでは、磁石を低い電流で繰り返し運転して、発生する可能性のあるクエンチや微細な動きを誘発します。また、磁石を約1.9 K （絶対零度に近い）の動作温度まで冷却するのにも時間がかかります。時間が経つにつれて磁石は「馴染んで」、これらの低い電流ではクエンチしなくなり、クエンチすることなく設計電流全体を扱えるようになります。 CERNのメディアは、磁石が結晶や配置における避けられない微細な製造上の欠陥を「振り払っている」と表現しており、これらの欠陥が当初、計画された電流を扱う能力を損なっていた。磁石は、時間とともに訓練されることで、徐々にクエンチングすることなく計画された電流全体を扱えるようになる。[ 83 ] [ 84 ]
2008年9月10日の朝、最初のビームが衝突型加速器を通過した。[ 85 ] CERNは、トンネル内で陽子を段階的に、一度に3キロメートルずつ発射することに成功した。粒子は時計回りに加速器に発射され、現地時間10時28分に加速器の周りをうまく操縦された。[ 56 ] LHCは主要なテストを成功裏に完了した。一連の試運転の後、陽子が衝突型加速器の全長を移動したことを示す2つの白い点がコンピュータ画面に点滅した。最初の周回で粒子の流れを誘導するのに1時間未満しかかからなかった。[ 86 ] CERNは次に陽子のビームを反時計回りに送ることに成功したが、極低温の問題により1時間半と少し時間がかかり、14時59分に全周回が完了した。
2008年9月19日、セクター3と4にある約100個の偏向磁石で磁石クエンチが発生し、電気的故障により約6トンの液体ヘリウム（磁石の極低温冷却剤）がトンネル内に放出された。放出された蒸気は爆発的な力で膨張し、53個の超伝導磁石とその取り付け部を損傷し、真空パイプを汚染し、真空状態も失われた。[ 57 ] [ 58 ] [ 87 ]
この事故の直後、CERNは、問題の最も可能性の高い原因は2つの磁石間の電気接続の不具合であると報告した。影響を受けたセクターを温めてから動作温度まで冷やすのに必要な時間のため、修理には少なくとも2か月かかると推定した。[ 88 ] CERNは、2008年10月15日と16日にそれぞれ中間技術報告書[ 87 ]と事故の予備分析[ 89 ]を、 2008年12月5日にさらに詳細な報告書[ 77 ]を公表した。CERNによる事故の分析により、電気的な故障が原因であったことが確認された。電気接続の不具合により、（正しく）超伝導磁石に電力を供給する電気系統のフェイルセーフ電源停止が行われたが、同時に電気アーク（または放電）が発生し、過冷却ヘリウムのエンクロージャーと真空断熱材の完全性が損なわれ、冷却材の温度と圧力が安全システムの許容範囲を超えて急速に上昇し、[ 87 ]影響を受けた磁石の一部で約100 ℃の温度上昇が生じた。超伝導磁石に蓄積されたエネルギーと、他のクエンチ検出器で誘発された電気ノイズも、急速な加熱に寄与した。検出器が緊急停止を作動させる前に、約2トンの液体ヘリウムが爆発的に漏れ出し、その後さらに4トンが低圧で漏れ出した。[ 87 ]この事故で合計53個の磁石が損傷し、冬季停止中に修理または交換された。[ 90 ]この事故については、 CERNの物理学者ルチオ・ロッシが2010年2月22日付のSuperconductor Science and Technology誌の記事で詳しく論じている。[ 91 ]
LHCの試運転の当初のスケジュールでは、最初の「控えめな」高エネルギー衝突が重心系エネルギー900 GeVで2008年9月末までに行われる予定であり、LHCは 2008年末までに10 TeVで稼働する予定であった。 [ 92 ]しかし、事故による遅延のため、衝突型加速器は2009年11月まで稼働しなかった。[ 93 ]遅延にもかかわらず、LHCは 2008年10月21日に、政治指導者、CERN加盟20カ国の科学大臣、CERN職員、および世界中の科学コミュニティのメンバーの立ち会いのもと、正式に開所した。[ 94 ]
2009年の大半は、クエンチ事故による損傷の修復と調査、および2009年7月に発見された2つの真空漏れの調査に費やされ、これにより操業開始は同年11月に延期された。[ 79 ]
2009年11月20日、事故以来初めて低エネルギービームがトンネル内を循環し、その直後の11月30日には、LHCはビームあたり1.18 TeVを達成し、8年間保持されていたテバトロンのビームあたり0.98 TeVの記録 を破り、世界で最もエネルギーの高い粒子加速器となった。 [ 96 ]
2010年の初めには、ビームエネルギーの継続的な増加と、 ビームあたり3.5 TeVを目指す初期の物理実験が行われ、2010年3月30日、LHCは合計エネルギーレベル7 TeVで陽子ビームを衝突させることにより、高エネルギー衝突の新記録を樹立した 。この試みはその日の3回目の試みであり、陽子を衝突装置から「排出」し、新しいビームを注入しなければならなかった2回の失敗の後であった。[ 97 ]これはまた、主要な研究プログラムの開始をも意味した。
最初の陽子実験は2010年11月4日に終了した。鉛イオンを用いた実験は2010年11月8日に開始され、2010年12月6日に終了した[ 98 ]。これにより、ALICE実験はビッグバン直後のような極限状態における物質の研究が可能になった[ 99 ] 。
CERNは当初、LHCを2012年末まで稼働させ、2011年末に短い休止期間を設けてビームエネルギーを ビームあたり3.5 TeVから4 TeVに増加させる計画を立てていた。[ 5 ] 2012年末には、LHCを2015年頃まで一時的に停止し、 ビームあたり7 TeVの計画されたビームエネルギーにアップグレードできるように計画されていた。[ 100 ] 2012年後半、2012年7月のヒッグス粒子の発見を受けて、停止前に追加のデータを取得できるように、停止は2013年初頭まで数週間延期された。
LHCは、2013年2月13日に、Long Shutdown 1（LS1）と呼ばれる2年間のアップグレードのために停止されました。このアップグレードでは、14 TeVでの衝突を可能にし、検出器と前加速器（陽子シンクロトロンとスーパー陽子シンクロトロン）を強化し、最初の運転からの高エネルギー衝突によって損傷した換気システムと100 km（62マイル） のケーブルを交換するなど、LHCの多くの側面に及ぶ予定でした。 [ 102 ]アップグレードされた衝突型加速器は、2014年6月に長い起動とテストのプロセスを開始し、2014年6月2日に陽子シンクロトロンブースターが起動し、2014年6月18日に磁石間の最終的な相互接続が完了し、陽子シンクロトロンが粒子を循環させ、数日後にはLHCのメインスーパーマグネットシステムの最初のセクションが1.9 K（-271.25 °C）の動作温度に達しました。 [ 103 ]超伝導磁石の「トレーニング」の進捗が遅いため、ビームあたり6.5 TeVという低いエネルギーで2回目の運転を開始することが決定され、これは磁石内の電流が11,000アンペアに相当する。LHCの主要磁石のうち最初のものは2014年12月9日までにトレーニングに成功したと報告され、他の磁石セクターのトレーニングは2015年3月に完了した。[ 104 ]
2015年4月5日、LHCは2年間の休止期間を経て再稼働した。休止期間中、偏向磁石間の電気コネクタは、 ビームあたり7 TeV（ 衝突エネルギー14 TeV）に必要な電流を安全に処理できるようにアップグレードされた。[ 6 ] [ 105 ]しかし、偏向磁石はビームあたり最大6.5 TeV（衝突エネルギー13 TeV）までしか処理できないように訓練されており、これが2015年から2018年までの運転エネルギーとなった。[ 83 ]このエネルギーは2015年4月10日に初めて達成された。[ 106 ]アップグレードは、合計エネルギー13 TeVで陽子を衝突させることで最高潮に達した。[ 107 ] 2015年6月3日、LHCはほぼ2年間のオフライン期間を経て物理データの送信を開始した。[ 108 ]その後の数ヶ月間は陽子-陽子衝突に使用され、11月には鉛イオンの衝突に切り替わり、12月には通常の冬季停止が始まった。
2016 年、マシンのオペレーターは陽子-陽子衝突のルミノシティの増加に注力した。設計値は 6 月29 日に初めて達成され[ 41 ]、さらなる改善により衝突率は設計値より 40% 増加した[ 109 ] 。2016年の総衝突数は、衝突あたりのエネルギーが高くなったため、Run 1 の衝突数を上回った。陽子-陽子衝突の後に、4 週間の陽子-鉛衝突が行われた[ 110 ] 。
2017年には、光度がさらに増加し、設計値の2倍に達した。衝突の総数も2016年より多かった。[ 42 ]
2018年の物理実験は 4月17日に開始され、12月3日に終了した 。これには4週間の鉛-鉛衝突実験が含まれる。[ 111 ]
ロングシャットダウン2（LS2）は2018年12月10日に開始されました。LHCおよびCERN加速器複合施設全体が維持・アップグレードされました。アップグレードの目的は、高輝度大型ハドロン衝突型加速器（HL-LHC）プロジェクトを実施し、輝度を10倍に高めることでした。LS2は2022年4月に終了しました。2020年代に予定されているロングシャットダウン3（LS3）は、HL-LHCプロジェクトが完了する前に実施されます。
LHCは2022年4月22日に再び稼働を開始し、4月25日に初めて達成された最大ビームエネルギーは6.8 TeV（衝突エネルギー13.6 TeV）となった。 [ 112 ] [ 113 ] 2022年7月5日に正式に第3期物理シーズンを開始した。 [ 114 ]このラウンドは2026年まで続く予定である。[ 115 ]エネルギーの上昇に加え、LHCはより高い輝度を達成することが期待されており、第3期後のHL-LHCへのアップグレードによりさらに向上することが期待されている。[ 116 ]
2026 年 6 月に長期停止 3 (LS3) が開始されました。[ 117 ] LS3 は、LHC の建設以来最も重要な介入となります。これには、スーパープロトンシンクロトロン(SPS) 北エリアの統合、CERN ニュートリノ グランサッソ (CNGS) ターゲットエリアの解体、実験用洞窟北 3 (ECN3) を高強度固定ターゲット施設に改造、ISOLDE 施設の改修、および統合、設置、保守、アップグレードに関連するその他のさまざまな作業が含まれます。[ 118 ]加速器は、2030 年代に HL-LHC が稼働できるように、2028 年より徐々に再稼働します。[ 119 ]
当初の研究の焦点は、物理学の標準模型の重要な部分であり、理論によって予測されていたものの、その質量が大きく捉えどころのない性質のためこれまで観測されていなかったヒッグス粒子の存在の可能性を調査することであった。CERNの科学者たちは、標準模型が正しければ、LHCは毎分数個のヒッグス粒子を生成し、物理学者が最終的にヒッグス粒子の存在を確認または否定できると推定した。さらに、LHCは、物理学の未知の領域として、超対称性粒子やその他の仮説上の粒子の探索を可能にした。 [ 61 ]標準模型のいくつかの拡張では、重いW'ゲージボソンやZ'ゲージボソンなどの追加の粒子が予測されており、これらもLHCで発見できると推定されている。[ 143 ]
LHCからの最初の物理結果は、ALICE検出器で行われた284回の衝突に関するもので、 2009年12月15日に報告された。 [ 121 ]フェルミラボのテバトロンの陽子-反陽子衝突よりも高いエネルギーでの最初の陽子-陽子衝突の結果は、CMSコラボレーションによって2010年2月初旬に発表され、予測よりも多くの荷電ハドロン生成が得られた。[ 144 ]
データ収集開始から1年後、LHC実験コラボレーションは、陽子-陽子衝突における標準模型を超える新物理の探索に関する予備的な結果を発表し始めた。[ 145 ] [ 146 ] [ 147 ] [ 148 ] 2010年のデータでは、新粒子の証拠は検出されなかった。その結果、大きな余剰次元を持つモデル、最小超対称標準模型の制約付きバージョンなど、標準模型のさまざまな拡張の許容パラメータ空間に制約が設定された。[ 149 ] [ 150 ] [ 151 ]
2011年5月24日、 LHCでクォークグルーオンプラズマ（ブラックホール以外で存在すると考えられている最も密度の高い物質）が生成されたと報告された。 [ 124 ]
2011 年 7 月と 8 月の間に、2011 年前半に収集されたデータに基づくヒッグス粒子とエキゾチック粒子の探索結果が、グルノーブル[ 152 ]とムンバイ[ 153 ]の会議で発表されました。後者の会議では、以前のデータにヒッグス信号の兆候があったにもかかわらず、ATLAS と CMS は、145 から466 GeV の質量領域の大部分で標準模型によって予測される特性を持つヒッグス粒子の存在を95% の信頼水準 ( CLs 法を使用) で除外したことが報告されました。[ 154 ]新しい粒子の探索でも信号は得られず、標準模型のさまざまな拡張 (超対称性拡張を含む) のパラメータ空間をさらに制限することが可能になりました。[ 155 ] [ 156 ]
2011年12月13日、CERNは、標準模型のヒッグス粒子が存在する場合、その質量は115～130 GeVの範囲に制約される可能性が最も高いと報告した。CMS検出器とATLAS検出器の両方で、124～125 GeVの範囲に強度ピークが観測されており、これは背景ノイズまたはヒッグス粒子の観測と一致する。[ 157 ]
2011年12月22日、新しい複合粒子であるχb(3P)ボトモニウム状態が観測されたと報告された。[ 127 ]
2012年7月4日、CMSチームとATLASチームはともに、質量領域が約125～126 GeVのボソンを発見したと発表し、統計的有意性はそれぞれ5シグマレベルであった。これは、新粒子を発表するために必要な正式なレベルを満たしている。観測された特性はヒッグス粒子と一致していたが、科学者たちは、さらなる分析を待つ間、それが実際にヒッグス粒子であると正式に特定できるかどうかについては慎重であった。[ 158 ] 2013年3月14日、CERNは、観測された粒子が実際に予測されたヒッグス粒子であることを確認したと発表した。[ 159 ]
2012年11月8日、LHCbチームは、物理学における超対称性理論の「黄金の」テストと見なされている実験について報告した[ 130 ]。これは、非常にまれな崩壊を測定することによって行われた。メソンを2つのミューオンに（）。この結果は、超対称性の多くの分岐の予測ではなく、非超対称標準模型の予測と一致しており、崩壊は超対称性のいくつかの形式の予測よりも一般的ではないが、他のバージョンの超対称性理論の予測と一致する可能性があることを示している。最初に草稿された結果は証明が不十分だが、比較的高い 3.5 シグマの有意水準であるとされている。[ 160 ]この結果は後に CMS コラボレーションによって確認された。[ 161 ]
2013年8月、LHCbチームは、標準模型では予測できないB中間子崩壊生成物の角度分布の異常を明らかにした。この異常の統計的確実性は4.5シグマであり、公式に発見として認められるために必要な5シグマにわずかに及ばなかった。この異常の原因は不明であるが、Z'ボソンが候補として示唆されている。[ 162 ]
2014年11月19日、LHCb実験は2つの新しい重い素粒子Ξ′ − bとΞ ∗ −bの発見を発表した。どちらも1つのボトムクォーク、1つのダウンクォーク、1つのストレンジクォークから構成されるバリオンである。これらはボトムXiバリオンの励起状態である。[ 163 ] [ 164 ]
LHCbコラボレーションは、 Run 1データで複数のエキゾチックハドロン（おそらくペンタクォークまたはテトラクォーク）を観測した。2014年4月4日、コラボレーションはテトラクォーク候補Z(4430)の存在を13.9シグマ以上の有意性で確認した。[ 165 ] [ 166 ] 2015年7月13日、ボトムラムダバリオン(Λ0b )の 崩壊におけるペンタクォーク状態と一致する結果が報告された。[ 167 ] [ 168 ] [ 169 ]
2016年6月28日、共同研究グループは、J/ψ中間子とφ中間子に崩壊する4つのテトラクォーク様粒子を発表したが、そのうち1つだけが以前からよく知られていた（X(4274)、X(4500)、X(4700)、X(4140)）。[ 170 ] [ 171 ]
2016年12月、ATLAS実験はWボソンの質量の測定結果を発表し、テバトロンで行われた分析の精度を検証した。[ 172 ]
7月に開催されたEPS-HEP 2015会議において、研究チームは、より高い衝突エネルギーにおけるいくつかの粒子の断面積測定結果を初めて発表した。
2015 年 12 月 15 日、ATLAS実験と CMS 実験はともに、13 TeV の陽子衝突データを使用して、ヒッグス物理、超対称性 (SUSY) 探索、およびエキゾチック粒子探索に関する予備的な結果を報告した。両実験とも、 2 光子不変質量スペクトルで 750 GeV 付近に中程度の過剰が見られたが、[ 173 ] [ 174 ] [ 175 ] 2016 年 8 月の報告では、仮説上の粒子の存在は確認されなかった。[ 176 ] [ 177 ] [ 178 ]
2017年7月には、2016年に収集された大規模なデータセットに基づく多くの分析結果が発表された。ヒッグス粒子の特性がより詳細に研究され、他の多くの結果の精度も向上した。[ 179 ]
2021年3月までに、LHC実験は最初の2回の運転で収集されたデータから59個の新しいハドロンを発見した。[ 180 ]
LHCの3回目の運転は、3年以上にわたるアップグレードを経て、2022年7月に開始され、2026年7月まで続く予定です。[ 181 ] [ 182 ]
2022年7月5日、LHCbは、荷電B中間子の崩壊の解析で観測された、チャームクォークとチャーム反クォーク、アップクォーク、ダウンクォーク、ストレンジクォークからなる新しいタイプのペンタクォークの発見を報告した。 [ 183 ] [ 184 ]また、史上初のテトラクォークのペアも報告された。[ 183 ]
2024年9月18日、ATLAS実験はクォーク間の量子もつれの最初の観測を報告した。これは、これまでのもつれの観測の中で最もエネルギーの高いものでもある。[ 185 ] [ 186 ]
2026年2月現在、最初の3回の実験で収集されたデータから79個の新しいハドロンが発見されている。[ 187 ]
数年間の運用後、素粒子物理学の実験は一般的に収穫逓減の法則に悩まされ始めます。装置で達成可能な主要な結果が達成され始めると、運用後期の発見は初期に比べて相対的に少なくなります。一般的な対応策は、衝突エネルギー、ルミノシティ、または改良された検出器など、関連する装置をアップグレードすることです。14 TeV の衝突エネルギーへの増加の可能性に加えて 、高ルミノシティ大型ハドロン衝突型加速器と呼ばれる LHC のルミノシティアップグレードが 2018 年 6 月に開始され、2030 年以降、物理学における新たな発見の可能性を高めることになります。[ 188 ]このアップグレードは、装置のルミノシティを 10 倍の 10 35 cm −2 s −1まで増加させることを目的としており、稀なプロセスを観測する機会を増やし、統計的に限界のある測定を改善します。[ 116 ]
CERNは、将来型円形衝突型加速器（FCC）の予備設計をいくつか作成しており、これはこれまで建設された中で最も強力な粒子加速器となる予定で、衝突型加速器の種類によって費用は90億ユーロ （102億米ドル ）から210 億ユーロまで幅がある。LHCリングを前加速器として使用する予定で、これはLHCがより小型のスーパープロトンシンクロトロンを使用するのと同様である。これは、欧州粒子物理学戦略更新と呼ばれる優先順位設定プロセスにおけるCERNの最初の提案であり、今世紀後半までこの分野の将来に大きな影響を与えるだろう。2023年現在、確定した計画はなく、建設資金が確保されるかどうかは不明である。[ 189 ]
大型ハドロン衝突型加速器での実験は、粒子衝突によって安定した微小ブラックホールの生成やストレンジレットと呼ばれる仮想粒子の生成といった終末現象が生じるのではないかという懸念を引き起こした。[ 190 ] CERNが委託した2つの安全レビューではこれらの懸念が検討され、LHCでの実験は危険ではなく、懸念する理由はないと結論付けられた。[ 191 ] [ 192 ] [ 193 ]この結論はアメリカ物理学会によって支持された。[ 194 ]
報告書では、LHCや同様の実験で発生する物理的条件や衝突事象は、危険な結果を招くことなく宇宙で自然かつ日常的に発生していることも指摘されている[ 192 ]。これには、3億2000万TeVのエネルギーを持ち、LHCで発生する最もエネルギーの高い衝突の数十倍の衝突エネルギーを持つOh-My-God粒子のように、人間が作った衝突装置よりもはるかに高いエネルギーで地球に衝突することが観測されている超高エネルギー宇宙線も含まれる。
大型ハドロン衝突型加速器（LHC）は、科学界以外からも大きな注目を集めており、その進捗状況は多くの人気科学メディアで取り上げられている。LHCは、小説、テレビシリーズ、ビデオゲーム、映画など、様々なフィクション作品の題材にもなっている。
CERNの従業員であるキャサリン・マクアルパインの「ラージ・ハドロン・ラップ」[ 195 ]は、2022年時点でYouTubeの 再生回数が800万回を超えました。[ 196 ] [ 197 ]
バンド「レ・ホリブル・セルネッツ」はCERNの女性たちによって結成された。バンド名はLHCと同じ頭文字になるように選ばれた。[ 198 ] [ 199 ]
ナショナル ジオグラフィック チャンネルの「世界で最も困難な修理」シーズン 2 (2010)、エピソード 6「アトム スマッシャー」では、2008 年のクエンチ事故後の衝突型加速器の修理において、最後の超伝導磁石セクションの交換が取り上げられています。このエピソードには、修理施設から衝突型加速器内部までの実際の映像、および LHC の機能、エンジニアリング、目的の説明が含まれています。[ 200 ]
ザ・フレイの2012年のスタジオアルバム『スカーズ＆ストーリーズ』に収録されている「ミュンヘン」という曲は、大型ハドロン衝突型加速器にインスパイアされている。リードシンガーのアイザック・スレイドはインタビューで、「スイスには、重力や質量を生み出すものの謎を解明するのに役立つ大型粒子衝突型加速器がある。非常に大きな疑問が提起されており、アインシュタインが提唱し、何十年も受け入れられてきたものさえも疑問視され始めている。彼らは基本的に、すべてをまとめる粒子である『神の粒子』を探している。この曲は、私たちがなぜここにいるのか、そしてすべてをまとめているものは何なのかという謎について歌っているんだ」と語った。[ 201 ]
大型ハドロン衝突型加速器は、2012年の学生映画『ディケイ』の焦点であり、この映画はCERNのメンテナンストンネルでロケ撮影された。[ 202 ]
ダン・ブラウンの小説『天使と悪魔』では、 LHCで生成された反物質がバチカンに対する兵器として使用されるという設定になっている。これに対し、CERNは「事実かフィクションか？」というページを公開し、LHC、CERN、そして素粒子物理学全般に関する同書の描写の正確性について議論した。 [ 203 ]映画版では、LHCで行われている実験の現場で撮影された映像が使用されており、監督のロン・ハワードは、物語の科学的描写をより正確にするためにCERNの専門家と面会した。[ 204 ]
ロバート・J・ソーヤーの小説『フラッシュフォワード』は、LHCでのヒッグス粒子の探索を題材としている。CERNは「科学とフィクション」ページを公開し、ソーヤーと物理学者にこの本とそれを原作としたテレビシリーズについてインタビューした。[ 205 ]
テレビシリーズ『ザ・フラッシュ』では、LHCがSTARラボの架空の粒子加速器「パイプライン」の着想源となっている。番組のタイムラインでは、この粒子加速器が爆発し、バリー・アレン（フラッシュ）に超能力を与える。[ 206 ]
ビジュアルノベル／アニメシリーズ『シュタインズ・ゲート』では、CERNは世界を支配するためにタイムトラベルを研究している秘密組織SERNとして描かれている。この架空の世界では、SERNはLHCを使ってカーブラックホールを作り出し、物質を時間を通して送り出すことができる。[ 207 ] [ 208 ]
リングは、11.245 kHzの音響基本周波数と倍音で動作します。
[A] 36か国170以上のコンピューティングセンターによるグローバルなコラボレーション…大型ハドロン衝突型加速器（LHC）によって毎年生成される約25ペタバイト（2500万ギガバイト）のデータを保管、配布、分析する。
現在、WLCGは40か国以上にある170以上のコンピューティングセンターで構成されています…WLCGは現在、世界最大のコンピューティンググリッドです。
