Quelltext der Seite Large Hadron Collider

{{Weiterleitungshinweis|LHC}}
{{Large Hadron Collider}}
Der {{lang|en|'''Large Hadron Collider'''}} ('''LHC,''' deutsche Bezeichnung ''Großer [[Hadron]]en-Speicherring'')<ref>{{Internetquelle |url=http://cds.cern.ch/record/971033/files/brochure-2006-002-ger.pdf |titel=LHC – Der Große Hadronen-Speicherring |hrsg=CERN – Europäische Organisation für Kernforschung |datum=2006-06 |format=PDF; 1&nbsp;MB |abruf=2013-08-03}}</ref> ist ein [[Teilchenbeschleuniger]] am Europäischen Kernforschungszentrum [[CERN]] bei [[Genf]]. In Bezug auf [[Energie]] und Häufigkeit der Teilchenkollisionen ist der LHC der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt. An Planung und Bau waren über 10.000 Wissenschaftler und Techniker aus über 100 Staaten beteiligt, es kooperierten hunderte Universitätslehrstühle und Forschungsinstitute. Die maßgebliche Komponente ist ein [[Synchrotron]] in einem 26,7&nbsp;Kilometer langen unterirdischen Ringtunnel, in dem [[Proton]]en oder [[Blei]]-[[Atomkern|Kerne]] gegenläufig auf nahezu [[Lichtgeschwindigkeit]] beschleunigt und zur Kollision gebracht werden. Die Experimente am LHC sind daher [[Colliding-Beam-Experiment]]e.

Forschungsziele des LHC sind die Erzeugung und genaue Untersuchung bekannter und noch unbekannter [[Elementarteilchen]] und Materiezustände. Ausgangspunkt ist die Überprüfung des gegenwärtigen [[Standardmodell]]s der [[Teilchenphysik]]. Besonderes Augenmerk liegt daher auf dem [[Higgs-Boson]], dem letzten bei Betriebsbeginn noch nicht experimentell nachgewiesenen Teilchen des Standardmodells. Darüber hinaus soll der LHC der Suche nach ''[[Standardmodell#Physik jenseits des Standardmodells|Physik jenseits des Standardmodells]]'' dienen, um möglicherweise Antworten auf offene Fragen zu finden. In der Regel werden die Kollisionsexperimente mit Protonen durchgeführt, etwa während eines Monats pro Jahr mit Blei-Ionen. Der Collider besitzt vier Kreuzungspunkte, an denen die beschleunigten Partikel zur Kollision gebracht werden können. Dort befinden sich vier große und zwei kleinere [[#Detektoren|Detektoren]], diese registrieren die Spuren der bei den Kollisionen entstandenen Partikel. Durch die große erreichbare Anzahl von Kollisionen pro Sekunde (hohe [[Luminosität]]) entstehen enorme Datenmengen. Diese werden mit Hilfe einer ausgeklügelten [[Informationstechnik|IT]]-Infrastruktur vorsortiert. Nur ein kleiner Teil der Daten wird mittels eines eigens aufgebauten, weltumspannenden Computernetzwerks zur Analyse an die beteiligten Institute weitergeleitet.

In den Experimenten wurde ab 2010 ein bisher nicht erreichbarer Energiebereich erschlossen. Ein wesentliches Ergebnis der bisherigen Experimente (Stand: März 2019) ist eine außerordentlich gute Bestätigung des Standardmodells. Mehrere neue [[Hadron]]en wurden gefunden, ein [[Quark-Gluon-Plasma]] konnte erzeugt werden, und erstmals wurde beim B<sub>s</sub><sup>0</sup>-[[Meson]] die [[CP-Verletzung]] bei seinem Zerfall in [[Kaon]]en und [[Pion]]en beobachtet sowie sein extrem seltener Zerfall in zwei [[Myon]]en. Auch beim D<sup>0</sup>-Meson gelang der Nachweis einer CP-Verletzung. Als bislang größter Erfolg gilt der experimentelle Nachweis des Higgs-Bosons. Dies führte zur Verleihung des [[Nobelpreis für Physik|Nobelpreises für Physik]] 2013 an [[François Englert]] und [[Peter Higgs]].<ref name="nobel" />

== Geschichte ==
[[Datei:Location Large Hadron Collider.PNG|mini|links|Lage und Größe des LHC mit dem kleineren Ring des [[Super Proton Synchrotron|SPS]]]]
{{CERNBeschleuniger}}
Der direkte Vorläufer des LHC war der bis zum Jahr 2000 betriebene [[Large Electron-Positron Collider]] (LEP). Für ihn war in den 1980er Jahren der Ringtunnel gebaut worden, in dem sich heute der LHC befindet. Die Möglichkeit der Weiternutzung des Tunnels, die beim LEP bereits in der Konzeption berücksichtigt worden war, war für die Standortwahl des LHC ausschlaggebend. Die detaillierten Planungen für den LHC begannen schon, als der LEP noch im Bau war.<ref name="Evans">{{Literatur |Autor=Lyndon Evans, Philip Bryant |Titel=LHC Machine |Sammelwerk=Journal of Instrumentation |Band=3 |Nummer=8 |Datum=2008 |Seiten=1–2 |DOI=10.1088/1748-0221/3/08/S08001}}</ref><ref>{{Internetquelle |url=http://lhc-milestones.web.cern.ch/LHC-Milestones/LHCMilestones-en.html |titel=LHC-Milestones |hrsg=DSU – Communication Group |datum=2008 |sprache=en |abruf=2013-07-30}}</ref> Im LEP wurden [[Elektron]]en und [[Positron]]en, die zu den [[Lepton]]en zählen, zur Kollision gebracht. Im LHC hingegen kollidieren Protonen oder Atomkerne, die zu den [[Hadron]]en zählen. Daher rührt der Name Large ''Hadron'' Collider.

In einer zehnjährigen Planungs- und Vorbereitungsphase wurde geklärt, welche konkreten Fragen mit dem LHC untersucht werden sollen, und ob ein Beschleuniger auf Basis von Supraleitung überhaupt technisch realisierbar ist. Am 16.&nbsp;Dezember 1994 gab das ''CERN Council'' schließlich grünes Licht für den Bau. Zunächst sollte die Energie, mit der die Protonen kollidieren, 10&nbsp;T[[Elektronenvolt|eV]] betragen und später auf 14&nbsp;TeV erhöht werden. Nachdem mit Indien und Kanada auch Nichtmitgliedstaaten des CERN erklärt hatten, sich an der Finanzierung und Entwicklung des LHC und damit an seiner späteren Nutzung zu beteiligen, wurde im Dezember 1996 entschieden, auf den Zwischenschritt von 10&nbsp;TeV zu verzichten und direkt 14&nbsp;TeV in Angriff zu nehmen. Kooperationsabkommen mit weiteren Staaten folgten. 1997 lieferte das italienische [[Istituto Nazionale di Fisica Nucleare]] den ersten Prototyp der Dipolmagnete, ein erster erfolgreicher Test fand im Folgejahr statt. In diesem Jahr gaben auch die offiziellen schweizerischen und französischen Stellen ihre Zustimmung zu den erforderlichen Baumaßnahmen, die für die neuen Kavernen der größten Detektoren nötig waren. Der Tunnelausbau begann Ende 2000 und konnte 2003 abgeschlossen werden. Binnen eines guten Jahres wurden 40.000&nbsp;Tonnen Material aus dem Tunnel entfernt.<ref name="geschichtelhc">lhc-facts.ch: [http://www.lhc-facts.ch/index.php?page=geschichtelhc ''Geschichte des LHC.''] Chronologie des LHC 1980 bis 2008. Abgerufen am 7.&nbsp;September 2013.</ref>

In den Jahren 1998 bis 2008 wurden kontinuierlich Tests an einzelnen Komponenten durchgeführt und nachfolgend Aufträge zur industriellen Fertigung vergeben. Parallel dazu wurden die Detektorsysteme zusammengesetzt und die Verbindung zu bereits vorhandenen Beschleunigern wie dem [[Super Proton Synchrotron|SPS]] hergestellt. Die Bauteile kamen aus der ganzen Welt, beispielsweise wurden die [[Drahtkammer]]n für den Myondetektor des [[ATLAS (Detektor)|ATLAS]] in mehr als einem halben Dutzend Staaten gefertigt.<ref>Anna Di Ciaccio: [http://villaolmo.mib.infn.it/talks/A_Diciaccio.pdf ''The ATLAS Muon Spectrometer.''] (PDF; 1,3&nbsp;MB), 7th Intern. Conference on Advanced Technology and Particle Physics, Oktober 2001. Abgerufen am 14. September 2013.</ref> Das von Russland für den CMS-Detektor gelieferte [[Messing]] stammt aus einem Abkommen zur [[Rüstungskonversion]].<ref>{{Internetquelle |autor=Lucas Taylor |url=http://cms.web.cern.ch/news/using-russian-navy-shells |titel=Using Russian navy shells |datum=2011-11-23 |sprache=en |abruf=2013-09-14}}</ref> 2006 war die Fertigung aller supraleitenden Hauptmagnete abgeschlossen, im Februar 2008 waren die letzten Bauteile des ATLAS an ihrem Bestimmungsort.<ref name="geschichtelhc" />

Die Vorarbeiten zur Datenverarbeitung führten 2001 zum Start des ''European DataGrid Project.'' Zwei Jahre später wurde eine Bestmarke für den Datentransfer via Internet erreicht. Innerhalb einer Stunde wurde ein Datenvolumen von einem [[Byte#Bedeutungen von Dezimal- und Binärpräfixen für große Anzahlen von Bytes|Terabyte]] vom CERN nach Kalifornien gesendet. Nach zwei weiteren Jahren war der Teilnehmerkreis des [[LHC Computing Grid]] bereits auf über 100 Rechenzentren in über 30 Staaten angewachsen.<ref name="geschichtelhc" />

Offizieller Start des Beschleunigerbetriebs am LHC war der 10.&nbsp;September 2008, als zum ersten Mal ein Protonenpaket den gesamten Ring umrundete. Doch ein technischer Defekt führte bereits nach neun Tagen zu einem einjährigen Stillstand: Die Schweißnaht einer [[Supraleiter|supraleitenden]] Verbindung hielt der Belastung nicht stand und zerstörte einen Heliumtank des Kühlsystems, dessen Explosion wiederum einen der 30&nbsp;Tonnen schweren Magnete um einen halben Meter verschob.<ref>{{Literatur |Autor=Ulrich Ellwanger |Titel=Vom Universum zu den Elementarteilchen. Eine erste Einführung in die Kosmologie und die fundamentalen Wechselwirkungen |Auflage=2. |Verlag=Springer |Datum=2011 |ISBN=978-3-642-15798-1 |Seiten=108}}</ref><ref>{{Internetquelle |autor=Anaïs Schaeffer |url=http://cds.cern.ch/journal/CERNBulletin/2013/19/News%20Articles/1544882 |titel=Please use the emergency exit |hrsg=CERN Bulletin |datum=2013-05-06 |sprache=en |abruf=2013-07-30}}</ref> Bei diesem [[Quench (Supraleitung)|„Quenchen“]] gingen sechs Tonnen flüssigen Heliums verloren, die betroffenen Magnete erwärmten sich sehr schnell um etwa 100&nbsp;K.<!--Ausführlichere Beschreibung in der en-wp--><ref>{{Internetquelle |autor=CERN Press Office |url=http://press.web.cern.ch/press-releases/2008/10/cern-releases-analysis-lhc-incident |titel=CERN releases analysis of LHC incident |datum=2008-10-16 |sprache=en |abruf=2016-01-15}}</ref> Nach Wiederinbetriebnahme am 20.&nbsp;November 2009 fanden drei Tage später in den [[Teilchendetektor]]en die ersten Proton-Proton-Kollisionen statt, weitere sechs Tage später erreichte der Protonenstrahl mit 1,05&nbsp;TeV die Energie des [[Tevatron]]s, des bis dahin stärksten Teilchenbeschleunigers. Während des Winters 2009/10 wurden am Teilchenbeschleuniger Verbesserungen vorgenommen, die 3,5&nbsp;TeV pro Strahl, also eine [[Schwerpunktsenergie]] von 7&nbsp;TeV, erlaubten.<ref>{{Internetquelle |url=http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/0,1518,684617,00.html |titel=Teilchenbeschleuniger verdreifacht Energie-Rekord |hrsg=Spiegel Online |datum=2010-03-19 |abruf=2013-07-30}}</ref><ref>{{Internetquelle |autor=CERN Press Office |url=http://press.web.cern.ch/press-releases/2010/03/lhc-sets-new-record-accelerates-beam-35-tev |titel=LHC sets new record – accelerates beam to 3.5&nbsp;TeV |datum=2010-03-19 |sprache=en |abruf=2013-07-30}}</ref> Am 30.&nbsp;März 2010 fanden erstmals Kollisionen mit dieser Energie statt. Alle Verantwortlichen zeigten große Zufriedenheit, so auch CERN-Generaldirektor [[Rolf-Dieter Heuer]]:<ref name="FirstPhysics">{{Internetquelle |autor=CERN Press Office |url=http://press.web.cern.ch/press-releases/2010/03/lhc-research-programme-gets-underway |titel=LHC research programme gets underway |datum=2010-03-30 |sprache=en |abruf=2016-01-15}}</ref>

{{Zitat-en
 |Text=It’s a great day to be a particle physicist. A lot of people have waited a long time for this moment, but their patience and dedication is starting to pay dividends.
 |Autor=Rolf Heuer, Generaldirektor des CERN
 |Übersetzung=Heute ist ein großer Tag für Teilchenphysiker. Viele Leute haben lange auf diesen Moment gewartet, doch nun beginnt sich ihre Geduld und ihr Engagement auszuzahlen.}}

Die folgenden anderthalb Jahre hindurch, unterbrochen nur durch eine planmäßige Wartungspause im Winter 2010/11, konnten die Detektoren Proton-Proton-Kollisionen bei 7&nbsp;TeV Schwerpunktsenergie untersuchen. Dabei wurde die ursprünglich geplante Zahl an Kollisionen dank ständig verbesserter Strahlfokussierung übertroffen.<ref>{{Internetquelle |autor=CERN Press Office |url=http://press.web.cern.ch/press-releases/2011/10/lhc-proton-run-2011-reaches-successful-conclusion |titel=LHC proton run for 2011 reaches successful conclusion |datum=2011-10-31 |sprache=en |abruf=2016-01-15}}</ref> Der Betrieb im Protonenmodus wurde am 30.&nbsp;Oktober 2011 unterbrochen, um bis zum nächsten Wartungsstillstand im Winter 2011/12 eine kurze Phase mit Kollisionen von Bleikernen einzufügen.

Ursprünglich sollte der LHC nach rund zweijährigem Betrieb Ende 2011 in eine längere Umrüstungsphase von 15 bis 18&nbsp;Monaten gehen, um die bestehenden Verbindungen zwischen den Magneten auszutauschen und den Beschleuniger auf 7&nbsp;TeV (Schwerpunktsenergie 14&nbsp;TeV) vorzubereiten. Im Januar 2011 wurde jedoch entschieden, die Laufzeit vor der Umrüstungsphase um ein Jahr zu verlängern, bis Ende 2012. Später wurde dieser Termin auf Anfang 2013 verschoben. Der Grund für die Entscheidung war die hervorragende Leistung des Beschleunigers im ersten Betriebsjahr, sodass Anzeichen neuartiger Teilchen schon nach dreijähriger Laufzeit zu erwarten waren,<ref name="test">{{Internetquelle |autor=CERN Press Office |url=http://press.web.cern.ch/press-releases/2011/01/cern-announces-lhc-run-2012 |titel=CERN announces LHC to run in 2012 |datum=2011-01-31 |sprache=en |abruf=2016-01-15}}</ref> was sich mit der Entdeckung eines neuen Elementarteilchens, [[#Das Higgs-Boson|des Higgs-Bosons]], bestätigte.

Vom 5.&nbsp;April 2012 bis 17.&nbsp;Dezember 2012 wurden wieder Proton-Proton-Kollisionen untersucht. Dabei konnte die Schwerpunktsenergie auf 8&nbsp;TeV gesteigert werden.<ref>{{Internetquelle |url=https://espace.cern.ch/be-dep/BEDepartmentalDocuments/BE/2013-LHC-schedule_v1.1.pdf |titel=2013 LHC & Injector Schedule |datum=2012-07-31 |format=PDF; 257&nbsp;kB |sprache=en |abruf=2012-11-25 |archiv-url=https://web.archive.org/web/20130315223721/https://espace.cern.ch/be-dep/BEDepartmentalDocuments/BE/2013-LHC-schedule_v1.1.pdf |archiv-datum=2013-03-15  }}</ref><ref>{{Internetquelle |autor=CERN Press Office |url=http://press.web.cern.ch/press-releases/2012/12/first-lhc-protons-run-ends-new-milestone |titel=The first LHC protons run ends with new milestone |datum=2012-12-17 |sprache=en |abruf=2013-07-30}}</ref> Danach folgten erneut Kollisionen von Bleikernen und zusätzlich Kollisionen zwischen Bleikernen und Protonen.

Von Februar 2013 bis April 2015 befand sich der LHC in der ersten längeren Umrüstungsphase, während der der Beschleuniger für eine Kollisionsenergie von 13&nbsp;TeV vorbereitet wurde. Einige der supraleitenden Magnete wurden ausgetauscht und mehr als 10.000 elektrische Verbindungen sowie die Magneten wurden besser gegen mögliche Fehler abgesichert.<ref>{{Internetquelle |url=http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/cern-neustart-weltmaschine-lhc-laeuft-wieder-a-1027139.html |titel=Neustart am Cern: Die Weltmaschine läuft wieder |hrsg=Spiegel Online |datum=2015-04-05 |abruf=2015-04-05}}</ref> Die höhere Kollisionsenergie wurde am 20. Mai 2015 erstmals erreicht.<ref name="13TeVKollisionen">{{Internetquelle |url=http://home.web.cern.ch/about/updates/2015/05/first-images-collisions-13-tev |titel=First images of collisions at 13&nbsp;TeV |datum=2015-05-21 |sprache=en |abruf=2015-05-21}}</ref> Die Protonenpakete enthalten jetzt weniger Protonen als 2012, folgen jedoch im halben Abstand aufeinander.<ref name="25ns" /> Bis Anfang November 2015 wurden Protonen, Ende November und Anfang Dezember erneut Bleikerne zur Kollision gebracht, ebenfalls mit einer höheren Energie als zuvor. Bei Proton-Proton-Kollisionen des Jahres 2016 wurde erstmals die Designluminosität und damit die geplante Kollisionsrate erreicht. In den letzten vier Betriebswochen des Jahres 2016 wurden Kollisionen von Protonen mit Bleikernen durchgeführt.<ref name="BleiKollisionen">{{Internetquelle |url=https://home.cern/about/updates/2016/12/2016-exceptional-year-lhc |titel=2016: an exceptional year for the LHC |datum=2016-12-06 |sprache=en |abruf=2017-05-01}}</ref>

Auch im Winter 2016/17 wurde der LHC 17 Wochen lang instand gesetzt. Eine der supraleitenden Spulen wurde ausgetauscht (wofür das zur Kühlung verwendete Helium abgelassen werden musste), auch am Vorbeschleuniger [[Super Proton Synchrotron]] gab es Umbauten. Ziel für das neue Betriebsjahr war unter anderem eine weitere Erhöhung der Luminosität. Von Mai bis November 2017 wurden wieder Daten gesammelt.<ref name="Restart2017">{{Internetquelle |url=https://home.cern/about/updates/2017/05/kick-2017-lhc-physics-season |titel=Kick-off for the 2017 LHC physics season |datum=2017-05-23 |sprache=en |abruf=2017-05-25}}</ref> dabei konnte die Kollisionsrate auf das Doppelte des Designwerts gesteigert werden.<ref name="endof2017">{{cite news|url=https://home.cern/about/updates/2017/11/record-luminosity-well-done-lhc|title=Record luminosity: well done LHC|date=2017-11-15|accessdate=2017-12-2}}</ref> Die letzte Messkampagne lief ab 28. April 2018,<ref name="Restart2018">{{Internetquelle |url=https://home.cern/about/updates/2018/04/2018-data-taking-run-lhc-has-begun |titel=The 2018 data-taking run at the LHC has begun |datum=2018-04-30 |sprache=en |abruf=2018-06-10}}</ref> wieder seit Anfang November mit Bleikernen, bevor der Beschleuniger am 10. Dezember 2018 bis zum Frühjahr 2021 für Umbauten zur weiteren Steigerung der Luminosität abgeschaltet wurde.<ref name="LS2">{{Internetquelle |url=https://home.cern/news/news/accelerators/key-plans-next-two-years-lhc |titel=Key plans for the next two years of the LHC |datum=2018-12-10 |sprache=en |abruf=2019-10-11}}</ref> Seit März 2021<ref>{{Internetquelle |url=https://home.cern/news/news/accelerators/lhc-key-handed-back-operation |titel=LHC key handed back for operation |datum=2021-03-24 |sprache=en |abruf=2021-05-31}}</ref> laufen die Vorbereitungen für den ab Frühjahr 2022 geplanten Run 3.<ref name="longtermschedule">{{Internetquelle |url=https://lhc-commissioning.web.cern.ch/schedule/LHC-long-term.htm |titel=Longer term LHC schedule |sprache=en |abruf=2021-05-31}}</ref>{{Zukunft|2022|04}}

== Aufbau, Betrieb und Funktionsweise ==
[[Datei:CERN LHC Tunnel.JPG|mini|Tunnel des LHC vor Einbau der Magnete]]
[[Datei:CERN LHC Tunnel1.jpg|mini|Tunnel des LHC in fertigem Zustand]]
[[Datei:LHC Dipol Magnet.jpg|mini|Prototyp eines Dipolmagneten]]

=== Beschleunigerring ===
Der LHC wurde in dem bereits vorhandenen Ringtunnel der Europäischen Kernforschungsanlage CERN errichtet, in dem zuvor der Large Electron-Positron Collider bis zu dessen Stilllegung im Jahr 2000 installiert war. Neben dem Tunnel konnten zwei Detektorkammern des LEP weiter genutzt werden, lediglich die Kammern für die Detektoren [[ATLAS (Detektor)|ATLAS]] und [[Compact Muon Solenoid|CMS]] mussten neu gebaut werden.<ref name="Evans" /> Die Tunnelröhre hat einen Durchmesser von etwa 3,80&nbsp;Metern und einen Umfang von 26,659&nbsp;Kilometern und liegt, mit einer leichten Neigung von 1,4 %, in 50 bis 175&nbsp;Metern Tiefe.<ref name="Evans" /><ref name="Leitf">CERN Kommunikationsgruppe: [https://www.weltmaschine.de/sites/sites_custom/site_weltmaschine/content/e36736/e42241/e42246/e42251/LHC-Guide_CERN-Brochure-2009-003-Ger.pdf ''LHC – ein Leitfaden.''] CERN 2009 (PDF; 6,0&nbsp;MB), abgerufen am 30.&nbsp;Juli 2013, S.&nbsp;20.</ref> Der Beschleunigerring ist nicht exakt kreisförmig, sondern besteht aus acht Kreisbögen und acht geraden Abschnitten.<ref name="Evans" /> Die größten Experimentiereinrichtungen und die Vorbeschleuniger befinden sich in [[Meyrin]] in der [[Romandie|französischsprachigen Schweiz]], der Kontrollstand befindet sich in Frankreich. Große Teile der Beschleunigerringe und einige unterirdische Experimentierplätze befinden sich auf französischem Staatsgebiet.

Der LHC-Tunnel enthält zwei benachbarte Strahlrohre, in denen zwei Hadronenstrahlen in entgegengesetzter Richtung umlaufen. Aus Platzgründen mussten beide Strahlrohre in einer gemeinsamen Röhre mit den Magneten und den Kühleinrichtungen untergebracht werden.<ref name="Evans" /> Um Kollisionen der Teilchen zu ermöglichen, kreuzen sich die Strahlrohre an vier Punkten des Rings. Beim Vorgänger, dem LEP, geschah dies noch an acht Stellen.<ref name="Evans" /> In den Strahlrohren herrscht ein [[Vakuum#Ultrahochvakuum|Ultrahochvakuum]], damit möglichst selten ein beschleunigtes Teilchen mit einem Gasmolekül der Restluft zusammenstößt. Dazu sind entlang des Rings 178 [[Vakuumpumpe#Turbomolekularpumpe (TMP)|Turbomolekularpumpen]] und 780 [[Ionengetterpumpe]]n installiert. Der Restdruck des Vakuums liegt bei 10<sup>−14</sup> bis 10<sup>−13</sup>&nbsp;[[Bar (Einheit)|bar]],<ref name="Evans" /> das entspricht etwa dem messbaren Atmosphärendruck auf dem Mond. Auch die Magnete und die Helium-Versorgungsleitungen sind von einem Vakuum zur Isolation umgeben, um den Wärmefluss möglichst klein zu halten. Das Isoliervakuum der Magnete hat ein Volumen von etwa 9.000&nbsp;Kubikmetern.<ref>{{Internetquelle |autor=lhc-facts.ch |url=http://www.lhc-facts.ch/index.php?page=vakuum |titel=LHC – Vakuumtechnik |abruf=2013-09-07}}</ref>

Der limitierende Faktor für die erreichbare Energie ist die [[Magnetische Flussdichte|Feldstärke]] der Magnete, die für die Ablenkung sorgen. Um weniger starke Richtungsänderungen bewirken zu müssen, wären weniger gerade Sektionen und stattdessen längere, schwächer gekrümmte Bogensektionen im Ring besser gewesen. Aus Kostengründen wurde jedoch auf einen Tunnelumbau verzichtet. Die hochenergetischen Teilchen werden im LHC durch 1232 [[Supraleiter|supraleitende]] [[Dipolmagnet]]e aus [[Niob]] und [[Titan (Element)|Titan]] auf ihrer Bahn gehalten, die mittels Stromstärken von 11.850&nbsp;[[Ampere]] eine magnetische Flussdichte von bis zu 8,33&nbsp;[[Tesla (Einheit)|Tesla]] erzeugen.<ref name="Evans" /> Die Stärke des Magnetfeldes in den Dipolen und die Frequenz des elektrischen Feldes in den beschleunigenden [[Hohlraumresonator]]en werden ständig der steigenden Energie der Teilchen angepasst. Um die Teilchenstrahlen fokussiert zu halten und um die Kollisionsrate bei der Kreuzung der beiden Strahlen zu erhöhen, kommen 392 ebenfalls supraleitende [[Quadrupolmagnet]]e zum Einsatz. Die Magnete werden in zwei Schritten auf ihre Betriebstemperatur von 1,9&nbsp;[[Kelvin]] (−271,25&nbsp;°C) heruntergekühlt, nahe dem [[Absoluter Nullpunkt|absoluten Nullpunkt]]. Im ersten Schritt werden sie mit 10.080&nbsp;Tonnen [[Flüssigstickstoff|flüssigem Stickstoff]] auf 80&nbsp;K (−193,2&nbsp;°C) vorgekühlt, im zweiten Schritt mittels 100&nbsp;Tonnen flüssigen Heliums auf ihre Endtemperatur gebracht.<ref>{{Internetquelle |autor=weltmaschine.de |url=http://www.weltmaschine.de/cern_und_lhc/lhc/zahlen_und_fakten/ |titel=LHC – Zahlen und Fakten |abruf=2013-07-30}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Lyndon Evans, Philip Bryant |Titel=LHC Machine |Sammelwerk=Journal of Instrumentation |Band=3 |Nummer=8 |Datum=2008 |Seiten=88–89 |DOI=10.1088/1748-0221/3/08/S08001}}</ref> Um die Magnete auf ihrer Betriebstemperatur zu halten, sind sie ständig von etwa 60&nbsp;Tonnen flüssigem Helium im [[Suprafluidität|suprafluiden]] Zustand umgeben. In diesem Zustand hat Helium eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit. Insgesamt werden am LHC 140&nbsp;Tonnen Helium für Kühlzwecke bevorratet.<ref>K. Barth, V. Benda, S. Claudet, M. Pezzetti, O. Pirotte, B. Vullierme: [http://cds.cern.ch/record/1507606/files/CERN-ATS-2013-002.pdf ''Upgrade of the Liquid Helium Storage for the Large Hadron Collider.''] (PDF; 314&nbsp;kB). 24th International Cryogenic Materials Conference, Fukoaka, Japan 2012 (CERN-ATS-2013-002).</ref> Der LHC ist daher der größte [[Kryostat]], der bis jetzt gebaut wurde (Stand: 2018).<ref>[https://www.iter.org/mach/Cryo iter.org: Cryogenics]</ref><ref>Philipp Gramlich: [https://web-docs.gsi.de/~andronic/lect2011/reci/110630_PGramlich.pdf The LHC: Large Hadron Collider]</ref><ref>Cryostat Design: Case Studies, Principles and Engineering, [https://books.google.com/books?id=HZ7VDAAAQBAJ&pg=PA67&lpg=PA67&dq=lhc+largest+cryostat&source=bl&ots=RoRUvC31Rr&sig=nhIwyGWuSKADyTuDqXYkrxtSXns&hl=de&sa=X&ved=2ahUKEwiEwdy359bcAhUqs1QKHSF8CWAQ6AEwBXoECAUQAQ#v=onepage&q=lhc%20largest%20cryostat&f=false Kapitel 3]</ref>

Beim Betrieb der Beschleunigeranlage müssen neben den [[Gezeitenkraft|Gezeitenkräften]], die den Umfang des Rings um etwa 1&nbsp;mm verändern, der Wasserstand des [[Genfersee|Genfer Sees]] und andere Störeinflüsse von außen<!--, beispielsweise durch anfahrende TGVs am Genfer Bahnhof – da wäre allerdings ein Beleg gut,--> berücksichtigt werden.<ref>{{Internetquelle |autor=Ulrich Schnabel |url=https://www.zeit.de/1995/50/Spuk_im_Ring |titel=Spuk im Ring |abruf=2019-09-07}}</ref>

==== Protonenmodus ====
Für den Protonenmodus im LHC war eine Schwerpunktsenergie von 14&nbsp;[[Elektronenvolt|TeV]] vorgesehen; dies entspricht 99,9999991 % der Lichtgeschwindigkeit. Bisher wurden 13&nbsp;TeV erreicht.<ref name="13TeVKollisionen" /> Um solche Energien zu erreichen, werden die Protonen nacheinander durch eine Reihe von Systemen beschleunigt. Zuerst werden negative Wasserstoffionen in einem Linearbeschleuniger auf eine Energie von 160&nbsp;MeV gebracht.<ref>{{Internetquelle|url=https://home.cern/news/news/accelerators/ls2-report-cerns-newest-accelerator-awakens|titel=LS2 Report: CERN’s newest accelerator awakens|sprache=en|zugriff=2021-01-11}}</ref> Anschließend werden die Elektronen entfernt, und die Protonen werden mittels der bereits vor dem Bau des LHC existierenden Ringe des [[Proton Synchrotron Booster]], des [[Proton Synchrotron]] und des [[Super Proton Synchrotron]] auf 450&nbsp;GeV beschleunigt, bis sie schließlich in den Hauptring des LHC eingefädelt werden und dort ihre angestrebte Energie erreichen. Die Beschleunigung der Protonen erfolgt nach dem [[Synchrotron]]prinzip durch ein hochfrequentes elektrisches Wechselfeld und dauert etwa 20&nbsp;Minuten.

Die Protonen werden in den Strahlröhren zu Paketen gebündelt. Die Länge dieser Pakete beträgt einige Zentimeter, der Durchmesser etwa 1&nbsp;mm. In der Nähe der Kollisionszone wird der Strahl auf eine Breite von etwa 16&nbsp;µm komprimiert. Jedes Paket enthält über 100 Milliarden Protonen. Im Vollbetrieb soll der LHC mit etwa 2800 Paketen gefüllt werden, die mit einer [[Frequenz]] von 11&nbsp;kHz umlaufen, also 11.000-mal pro Sekunde. Im normalen Betrieb bleibt ein Protonenpaket bis zu einem Tag in der Strahlröhre.

Beim Kreuzen der Strahlen durchdrangen sich in der Kollisionszone bis zur Umrüstung 2013 bis 2014 alle 50&nbsp;Nanosekunden zwei Protonenpakete. Seit 2015 ist der Abstand zwischen den Kollisionen nur noch 25&nbsp;Nanosekunden.<ref name="25ns">{{Internetquelle |url=http://home.web.cern.ch/about/updates/2015/08/lhc-progresses-towards-higher-intensities |titel=LHC progresses towards higher intensities |datum=2015-08-24 |sprache=en |abruf=2015-09-21}}</ref> Beim regulären Betrieb treffen etwa je 20 bis 40 Protonen beider Pakete tatsächlich aufeinander, das sind dann bis zu 800&nbsp;Millionen Kollisionen pro Sekunde. Die Design-Luminosität<ref>Oliver Sim Brüning u.&nbsp;a. (Hrsg.): [http://cds.cern.ch/record/782076/files/CERN-2004-003-V1.pdf ''LHC design report. Volume&nbsp;I: The LHC main ring.''] (PDF; 29&nbsp;MB). CERN, Genf 2004, S.&nbsp;21.</ref> von 10<sup>34</sup>&nbsp;cm<sup>−2</sup>s<sup>−1</sup> wurde erstmals im Juni 2016 erreicht,<ref name="designlumi">'' {{Webarchiv |url=https://indico.cern.ch/event/538347/contributions/2186401/attachments/1298537/1937364/LHC_27.06.2016_EB.pdf |wayback=20160627111700 |text=LHC morning meeting: 27. Juni 2016.  }}'' S. 14.</ref> im Laufe des Jahres 2017 konnte die Kollisionsrate verdoppelt werden.<ref name="endof2017" />

==== Bleimodus ====
Zur Herstellung eines Strahls von Blei-Atomkernen wird zunächst isotopenreines Blei (<sup>208</sup>Pb) in einem Mikroofen erhitzt und der entstehende Bleidampf in einer Electron-Cyclotron-Resonance Ionenquelle (ECRIS) ionisiert. Unter den unterschiedlichen erzeugten Ladungszuständen werden die am häufigsten auftretenden <sup>208</sup>Pb<sup>29+</sup>-Ionen ausgewählt und auf 4,2&nbsp;MeV pro [[Nukleon]] beschleunigt. Danach dient eine Kohlenstoff-Folie als „Stripper“, das heißt, beim Durchgang durch die Folie verlieren die Blei-Ionen weitere Elektronen. Die meisten verlieren 25 Elektronen und liegen jetzt als Pb<sup>54+</sup>-Ionen vor. Diese Blei-Ionen werden im [[Low Energy Ion Ring]] (LEIR) auf 72&nbsp;MeV pro Nukleon beschleunigt, nachfolgend im [[Proton Synchrotron]] (PS) auf 5,9&nbsp;GeV pro Nukleon. Beim Flug durch eine zweite Stripperfolie verlieren die Bleikerne alle noch verbliebenen Elektronen, es handelt sich nun um vollständig ionisiertes Pb<sup>82+</sup>. Schließlich werden diese Kerne im [[Super Proton Synchrotron]] (SPS) auf 117&nbsp;GeV pro Nukleon beschleunigt und in den LHC eingespeist, der sie auf 2,76&nbsp;TeV pro Nukleon bringt.<ref>CERN Kommunikationsgruppe: [https://www.weltmaschine.de/sites/sites_custom/site_weltmaschine/content/e36736/e42241/e42246/e42251/LHC-Guide_CERN-Brochure-2009-003-Ger.pdf ''LHC – ein Leitfaden.''] (PDF; 6,0&nbsp;MB). CERN, 2009, abgerufen am 30.&nbsp;Juli 2013, S.&nbsp;13.</ref> Insgesamt findet die Kollision der Bleikerne&nbsp;– mit je 208 Nukleonen&nbsp;– somit bei einer Schwerpunktsenergie von 1148&nbsp;TeV (0,2&nbsp;[[Joule|mJ]]) statt, das entspricht etwa der [[Kinetische Energie|Bewegungsenergie]] einer Fliege im Flug.

==== LHC im Vergleich zu LEP und Tevatron ====
Im [[Tevatron]], dem anderen großen [[Ringbeschleuniger]] mit gegenläufigen Strahlen, liefen Teilchen mit entgegengesetzten Ladungen in entgegengesetzter Richtung in den beiden Strahlrohren um. Nach demselben Prinzip arbeitete der LHC-Vorgänger [[Large Electron-Positron Collider|LEP]]. Alle Teilchen bewegen sich auf ihrer Bahn durch ein gleich gerichtetes Magnetfeld. Durch die relativistische [[Lorentzkraft]] erfahren sie die erforderliche Ablenkung nach innen und werden so auf ihrer ringförmigen Bahn gehalten. Beim LHC tragen die gegenläufigen Protonen bzw. Bleiionen jedoch die gleiche Ladung. In den beiden Strahlrohren muss daher das Magnetfeld in entgegengesetzte Richtungen zeigen, um alle Teilchen nach innen abzulenken. Nach dem Konzept von [[John Blewett]] (1971) wird dies durch ein etwa ringförmiges Magnetfeld erreicht, welches das eine Strahlrohr von oben nach unten und das andere von unten nach oben durchdringt.<ref name="Evans" />

Während im LEP [[Elektron]]en und [[Positron]]en, also die [[Antiteilchen]] zueinander, zur Kollision gebracht wurden, werden am LHC je nach Betriebsmodus Protonen oder Bleikerne beschleunigt und zur Kollision gebracht. Aufgrund der wesentlich größeren Masse der Hadronen verlieren sie weniger Energie durch [[Synchrotronstrahlung]] und können so eine weitaus größere Energie erreichen. Die im Vergleich zu den vorherigen Experimenten höhere Schwerpunktsenergie ermöglicht die Erforschung neuer Energiebereiche. Durch die Entscheidung für Protonen statt [[Antiproton]]en im zweiten Strahl, wie etwa am Tevatron, konnte darüber hinaus eine höhere [[Luminosität]] erreicht werden. Die hohe Teilchendichte an den Wechselwirkungspunkten führt zu den erwünschten hohen Ereignisraten in den Teilchendetektoren und ermöglicht es, größere Datenmengen in kürzerer Zeit zu sammeln.

==== Sicherheitsmaßnahmen ====
Die Gesamtenergie der in den Tunneln umlaufenden Strahlen liegt im Protonenmodus bei bis zu 500&nbsp;[[Größenordnung (Energie)#Megajoule – MJ|Megajoule]], geplant ist eine Erhöhung auf 600&nbsp;MJ. Dies entspricht der kinetischen Energie zweier mit 150&nbsp;km/h fahrenden [[Intercity-Express|ICE]]<ref name="Leitf" /> und würde genügen, um etwa eine halbe Tonne Kupfer zu schmelzen. Im Falle eines unkontrollierten Strahlverlustes würde die Beschleunigeranlage stark beschädigt werden.<ref name="Leitf" /> [[Lyn Evans]], ab 1994 der Projektleiter des LHC, spricht von einer Energiemenge, wie sie in 80&nbsp;kg [[TNT-Äquivalent|TNT]] enthalten ist.<ref name="Krause2013">{{cite book |author=Michael Krause |title=CERN&nbsp;– In den Kathedralen der Technologie: Begegnungen am CERN |url=http://books.google.com/books?id=9XptAAAAQBAJ&pg=PA111 |accessdate=22.&nbsp;September 2013 |date=12.&nbsp;August 2013 |publisher=John Wiley & Sons |isbn=978-3-527-67009-3 |pages=111&nbsp;ff.}}</ref> Die Anlage ist deshalb so ausgelegt, dass innerhalb von drei Umläufen, also weniger als 300&nbsp;[[Sekunde#Abgeleitete Maßeinheiten|Mikrosekunden]], ein instabil werdender Strahl registriert und durch besondere Magnete in einen speziellen Seitenarm des Tunnels ausgeleitet wird. Dort befindet sich ein besonderer Strahlstopper, der aus einer Reihe von Graphitplatten unterschiedlicher Dichte aufgebaut ist und den Strahl abfangen kann.<ref name="Leitf" /> Die in den Dipolmagneten gespeicherte Energie ist mit 11&nbsp;GJ noch wesentlich höher. Der Strom in den Magnetspulen wird bei Bedarf durch zugeschaltete Widerstände geleitet und die Energie in Wärme umgewandelt.<ref>{{Internetquelle |autor=L. Coull u.&nbsp;a. |url=http://cds.cern.ch/record/259538/files/P00021565.pdf |titel=LHC Magnet Quench Protection System |format=PDF; 3&nbsp;MB |abruf=2013-09-22}}</ref> Die Beschädigungen bei dem Unfall, der 2008 beim Start des Beschleunigerbetriebs auftrat (siehe Abschnitt [[#Geschichte|Geschichte]]), rührten von dieser in den Magneten gespeicherten Energie her.

Sowohl der Teilchenstrahl auf seiner gekrümmten Bahn als auch die Kollisionen erzeugen unvermeidbar [[Ionisierende Strahlung|Strahlung]]. Der Aufenthalt im Tunnel und den Kavernen der Detektoren ist während der Strahlzeiten nicht möglich. Wartungsarbeiten werden durch aktive und passive Strahlenschutzmaßnahmen begleitet.<ref>lhc-facts.ch: [http://www.lhc-facts.ch/index.php?page=radioaktivitaet ''Radioaktivität.''] Gefahren und Risiken des LHC. Abgerufen am 22.&nbsp;September 2013.</ref> Das Erdreich über dem Tunnel hält die Streustrahlung während des Betriebs und die Restradioaktivität wirksam zurück. Die Luft aus dem Beschleunigertunnel wird gefiltert mit dem Ziel, die freigesetzte Radioaktivität für die Anlieger stets unter dem Wert von 10&nbsp;[[Sievert (Einheit)|μSv]] pro Jahr zu halten.<ref name="Leitf" />

=== Detektoren ===
[[Datei:CMS Higgs-event.jpg|mini|Simulierte Detektion von Teilchen nach Protonenkollision im CMS-Detektor]]

Die Kollision der Protonen durch Kreuzung der beiden Protonenstrahlen erfolgt in vier unterirdischen Kammern entlang des Beschleunigerrings. In den Kammern befinden sich die vier großen [[Teilchendetektor]]en [[ATLAS (Detektor)|ATLAS]], [[Compact Muon Solenoid|CMS]], [[LHCb]] und [[ALICE]]. Die Detektoren [[TOTEM]] und [[LHCf]] sind sehr viel kleiner und befinden sich in den Kammern des CMS- beziehungsweise ATLAS-Experimentes. Sie untersuchen nur Teilchen, die einander bei den Kollisionen streifen statt aufeinander zu prallen. Daneben sind noch weitere spezielle Experimente mit dazugehörigen Detektoreinheiten geplant, wie zum Beispiel [[MoEDAL]] für die Suche nach [[Magnetischer Monopol|magnetischen Monopolen]] sowie Relikten [[Micro Black Hole|mikroskopischer Schwarzer Löcher]] und [[Supersymmetrie|supersymmetrischer Teilchen]]. Der Detektor [[FASER (Detektor)|FASER]] sucht nach langlebigen hypothetischen Teilchen, zum Beispiel [[Dunkles Photon|dunklen Photonen]], und misst [[Neutrino]]wechselwirkungen bei hohen Energien.<ref>{{Internetquelle |url=https://home.cern/news/news/experiments/faser-cern-approves-new-experiment-look-long-lived-exotic-particles |titel=FASER: CERN approves new experiment to look for long-lived, exotic particles |abruf=2020-01-01 |sprache=en}}</ref><ref>{{Internetquelle |url=https://home.cern/news/news/physics/fasers-new-detector-expected-catch-first-collider-neutrino |titel=FASER’s new detector expected to catch first collider neutrino |abruf=2020-01-01 |sprache=en}}</ref>

Die Zielrichtung der vier großen Detektorsysteme lässt sich vereinfacht folgendermaßen zusammenfassen:
{| class="wikitable"
|-
!Detektor
!Beschreibung
|-
|[[ATLAS (Detektor)|ATLAS]]
|Suche nach dem Higgs-Boson, [[Supersymmetrie]] und nach etwaigen Substrukturen der [[Lepton]]en und [[Quark (Physik)|Quarks]], Studium der Kollisionen schwerer Ionen. Am ATLAS-Experiment nehmen etwa 2700 Forscher aus über 200 Instituten weltweit teil.
|-
|[[Compact Muon Solenoid|CMS]]
|Suche nach dem Higgs-Boson, [[Supersymmetrie]] und nach etwaigen Substrukturen der [[Lepton]]en und [[Quark (Physik)|Quarks]], Studium der Kollisionen schwerer Ionen. Die CMS-Gruppe umfasst etwa 3500 Personen aus 200 wissenschaftlichen Instituten.
|-
|[[ALICE]]
|Untersuchung des extrem dichten und energiereichen [[Quark-Gluon-Plasma]]s, dem Materiezustand unmittelbar nach dem [[Urknall]]. Über 1000 Mitarbeiter.
|-
|[[LHCb]]
|Unter anderem spezialisiert auf die Untersuchung von Zerfällen von [[Hadron]]en, die ein [[Quark (Physik)#Bottom-Quark|bottom]]- oder [[Quark (Physik)#Charm-Quark|charm-Quark]] enthalten, Präzisionsmessungen zur [[CP-Verletzung]] oder zu seltenen Zerfällen als sensitive Tests des [[Standardmodell]]s. Etwa 800 Mitarbeiter.
|}

Die komplexe innere Struktur der Protonen führt dazu, dass bei Kollisionen oft viele verschiedene Teilchen entstehen. Dies führt zu hohen Anforderungen an die Detektorsysteme, die diese Teilchen und ihre Eigenschaften möglichst vollständig erfassen sollen. Da die entstehenden Teilchen sehr vielfältig in ihren Eigenschaften sind, werden verschiedene Detektorkomponenten benötigt, die spezifisch für bestimmte Fragestellungen geeignet sind. Eine Ausnahme bilden lediglich die entstehenden [[Neutrino]]s, die nicht direkt detektiert werden können. Dabei ist die Bestimmung des Ursprungsortes der jeweiligen Kollisionsprodukte von entscheidender Bedeutung: Dieser muss nicht mit dem Kollisionspunkt der Protonen übereinstimmen, da ein Teil der kurzlebigen Produkte noch während des Fluges durch den Detektor zerfällt.

Der Grundaufbau der Detektoren besteht aus einer Aneinanderreihung verschiedener Detektorenteile unterschiedlicher Bauart und Wirkungsprinzipien, die nach dem Zwiebelschalenprinzip den Kollisionspunkt möglichst vollständig umgeben. Starke Magnetfelder supraleitender Magnete sorgen für eine Ablenkung der geladenen Teilchen. Aus der Bahnkrümmung lassen sich spezifische Ladung und Impuls geladener Teilchen bestimmen. Die innerste Schicht ist der sogenannte Spurdetektor, ein [[Halbleiterdetektor]] mit feiner Ortsauflösung. Ihn umgeben ein elektromagnetisches und ein hadronisches [[Kalorimeter (Teilchenphysik)|Kalorimeter]] und ein [[Spektrometer]] für Myonen.

[[Datei:ATLAS Drawing.jpg|mini|Der ATLAS-Detektor mit 45&nbsp;m Länge und 22&nbsp;m Durchmesser]]
Die Bleikerne werden hauptsächlich im ALICE-Detektor zur Kollision gebracht, der eigens für die Messung dieser Kollisionen gebaut wurde. In geringerem Umfang untersuchen auch ATLAS und CMS solche Schwerionen-Kollisionen. Darüber hinaus können Bleikerne mit Protonen zur Kollision gebracht werden, was von allen vier großen Detektoren untersucht wird.

=== Datenanalyse ===
Die Datenmenge, die im Betrieb durch aufgezeichnete Detektorsignale oder Computersimulationen anfällt, wird auf 30&nbsp;[[Byte|Petabyte]] pro Jahr geschätzt.<ref>{{Internetquelle |url=http://public.web.cern.ch/public/en/LHC/Computing-en.html |titel=Computing |hrsg=CERN |datum=2016 |sprache=en |abruf=2016-05-25}}</ref> Sie wäre wesentlich größer, wenn nicht ausgeklügelte [[Trigger (Physik)|Trigger]] auf Hard- und Softwareebene einen Großteil der Messsignale bereits vor der Verarbeitung oder dauerhaften Speicherung verwürfen. Allein die Datenmenge des CMS-Detektors ist mit der einer 70-Megapixel-Kamera vergleichbar, die 40&nbsp;Millionen Bilder pro Sekunde macht. Ohne Trigger wären solche Datenmengen mit aktueller Technik nicht beherrschbar. So werden am ATLAS-Detektor in der ersten Triggerstufe von den Daten der 40&nbsp;Millionen Strahlkreuzungen pro Sekunde etwa 75.000 ausgewählt. Von diesen passieren weniger als 1000 die zweite Triggerstufe, und nur diese Ereignisse werden vollständig analysiert. Letzten Endes werden etwa 200 Ereignisse pro Sekunde dauerhaft gespeichert.<ref>{{Internetquelle |url=http://www.lhc-facts.ch/index.php?page=datenverarbeitung |titel=Datenverarbeitung |werk=lhc-facts.ch |hrsg=Adrian Schmitz |abruf=2013-08-06}}</ref>

{{Zitat
 |Text=Die Datenflut in den Detektoren wird während der Kollisionen so gewaltig sein, dass sie den Informationsfluss in allen Kommunikationsnetzen der Welt zusammengenommen übertrifft. Kein Datenspeicher existiert, der sie aufnehmen könnte, weshalb die Rechner den digitalen Tsunami schon in den ersten Nanosekunden sichten und 99,9 Prozent davon aussortieren müssen und zwar nach Kriterien, die auf gerade jenen Theorien beruhen, die der LHC eigentlich prüfen soll. Nicht ausgeschlossen, dass die Supermaschine die wirklich revolutionären Daten einfach löscht.
 |Autor=Tobias Hürter, Max Rauner
 |Quelle=Faszination Kosmos: Planeten, Sterne, schwarze Löcher (2008)<ref>Tobias Hürter, Max Rauner: ''Ein Urknall auf Erden.'' In: Andreas Sentker (Hrsg.): ''Faszination Kosmos: Planeten, Sterne, schwarze Löcher.'' Spektrum Akademischer Verlag, 2008, ISBN 978-3-8274-2001-5.</ref>}}

Um diese reduzierte Datenmenge zu verarbeiten, ist die benötigte Rechnerleistung immer noch so groß, dass dafür etwa 170 weltweit verteilte [[Rechnerverbund|Computercluster]] verwendet werden. Diese sind zu einem Computernetzwerk verbunden, dem [[LHC Computing Grid]].<ref>{{Internetquelle |url=http://wlcg-public.web.cern.ch/ |titel=Worldwide LHC Computing Grid (WLCG) – Welcome |datum=2015 |sprache=en |abruf=2016-01-15 |kommentar=Die angegebene Zahl ist die Summe der 12 Tier-1- und ≈ 140 Tier-2-Cluster}}</ref>

Für die Simulation der Teilchenbahnen im Beschleunigerring werden im [[LHC@Home]]-Projekt Computerbesitzer eingebunden, die nach dem Prinzip des [[Verteiltes Rechnen|verteilten Rechnens]] die Rechenleistung ihres Privatcomputers zur Verfügung stellen.

=== Stromversorgung ===
Haupteinspeisepunkt für die Versorgung des CERN mit elektrischer Energie ist das 400-[[Volt|kV]]-[[Umspannwerk]] Prevessin, das über eine kurze Stichleitung mit dem 400-kV-Umspannwerk Bois-Toillot in Verbindung steht. Eine weitere Einspeisung erfolgt mit 130&nbsp;kV in der Station Meyrin. Von diesen Einspeisepunkten führen 66-kV- und 18-kV-Erdkabel zu den größeren Umspannpunkten, wo eine Umspannung auf die Betriebsspannung der Endgeräte (18&nbsp;kV, 3,3&nbsp;kV und 400&nbsp;V) erfolgt.<ref>{{Internetquelle |autor=CERN EN/EL Group |url=http://en-dep.web.cern.ch/en-dep/groups/el/NetCtrl/INDEX.HTM |titel=CERN Electrical Network short Description |sprache=en |abruf=2013-07-30}}</ref> Für den Fall eines Stromausfalls sind in den Experimentierstationen [[Stromerzeugungsaggregat|Notstromaggregate]] mit Leistungen von 275&nbsp;[[Voltampere|kVA]] und 750&nbsp;kVA installiert, für besonders empfindliche Geräte ist eine [[unterbrechungsfreie Stromversorgung]] gewährleistet.

Der Speicherring benötigt eine elektrische Leistung von 120&nbsp;[[Watt (Einheit)|MW]]. Zusammen mit dem Kühlsystem und den Experimenten ergibt sich ein Leistungsbedarf von etwa 170&nbsp;MW. Wegen der höheren Stromkosten wird der LHC im Winter teilweise abgeschaltet, wodurch sich die benötigte Leistung dann auf 35&nbsp;MW reduziert. Der maximale Jahresenergieverbrauch des LHC wird mit 700–800&nbsp;[[Wattstunde|GWh]] angegeben. Zum Vergleich: Das sind knapp 10 % des Verbrauchs des [[Kanton Genf|Kantons Genf]].<ref>lhc-facts.ch: [http://www.lhc-facts.ch/index.php?page=parameter ''LHC Parameter und Daten.''] Abgerufen am 30.&nbsp;Juli 2013.</ref><ref>weltderphysik.de: [http://www.weltderphysik.de/de/6679.php#Welchen_Energieverbrauch_hat_der_LHC ''Welchen Energieverbrauch hat der LHC?''] Abgerufen am 30.&nbsp;Juli 2013.</ref> Dabei ist der Energieverbrauch beim LHC durch den Einsatz supraleitender Magnete geringer als bei Vorgängerexperimenten wie dem [[Large Electron-Positron Collider|LEP]].<ref>Florian Freistetter: [http://www.scienceblogs.de/lindaunobel/2008/07/der-kalteste-ort-im-universum.php ''Der kälteste Ort im Universum&nbsp;…''] ScienceBlogs, 1.&nbsp;Juli 2008, abgerufen am 30.&nbsp;Juli 2013.</ref>

=== Kosten ===
Die unmittelbaren Kosten für das LHC-Projekt, ohne die Detektoren, belaufen sich auf etwa 3&nbsp;Milliarden Euro. Bei der Bewilligung der Konstruktion im Jahr 1995 wurde ein Budget von 2,6&nbsp;Milliarden [[Schweizer Franken]] (damals entsprechend 1,6&nbsp;Milliarden Euro) für den Bau des LHC und der unterirdischen Hallen für die Detektoren veranschlagt. Doch bereits 2001 wurden zusätzliche Kosten von 480&nbsp;Millionen Schweizer Franken (etwa 300&nbsp;Millionen Euro) für den Beschleuniger veranschlagt,<ref>{{cite web |url=http://user.web.cern.ch/CERN/LHC.html |title=LHC Cost Review to Completion |last=Maiani |first=Luciano |accessdate=2004-06-17 |date=2001-10-16 |publisher=CERN |archiveurl=https://web.archive.org/web/20040617194758/http://user.web.cern.ch/CERN/LHC.html |archivedate=2004-06-17}}</ref> wovon allein 180&nbsp;Millionen Schweizer Franken (120&nbsp;Millionen Euro) auf die supraleitenden Magnete entfielen. Weitere Kostensteigerungen entstanden durch technische Schwierigkeiten beim Bau der unterirdischen Halle für das [[Compact Muon Solenoid]], teilweise aufgrund defekter Teile, die von den Partnerlaboratorien [[Argonne National Laboratory]], [[Fermi National Accelerator Laboratory|Fermilab]] und [[KEK (Forschungszentrum)|KEK]] zur Verfügung gestellt worden waren.<ref>{{cite journal |last=Feder |first=Toni |year=2001 |month=Dezember   |title=CERN Grapples with LHC Cost Hike |journal=[[Physics Today]] |volume=54 |issue=12 |pages=21   |doi=10.1063/1.1445534  }}</ref>

Bei der ersten längeren Umrüstungsphase (Februar 2013 bis April 2015) entstanden für Arbeiten direkt am LHC Kosten in Höhe von etwa 100&nbsp;Millionen Schweizer Franken.<ref>''[http://press.web.cern.ch/backgrounders/lhc-season-2-facts-figures LHC Season 2: facts & figures.]''</ref>

=== Befürchtungen vor der Inbetriebnahme 2008 ===
In der [[Standardmodell#Physik jenseits des Standardmodells|Physik jenseits des Standardmodells]] existieren theoretische Modelle, nach denen es möglich ist, dass am LHC [[Micro Black Hole|mikroskopische Schwarze Löcher]] oder [[seltsame Materie]] erzeugt werden könnten. Vereinzelt gibt es Warnungen, der LHC könnte die Erde zerstören.<ref>{{Literatur |Autor=Adrian Kent |Titel=A Critical Look at Risk Assessments for Global Catastrophes |Sammelwerk=Risk Analysis |Band=24 |Nummer=1 |Datum=2004 |Seiten=157–168 |arXiv=hep-ph/0009204 |DOI=10.1111/j.0272-4332.2004.00419.x}}</ref><ref>Rainer Plaga: ''On the potential catastrophic risk from metastable quantum-black holes produced at particle colliders.'' 10.&nbsp;August 2008. {{arXiv|0808.1415}}.</ref><ref>{{Internetquelle |autor=Felix Knoke |url=http://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/0,1518,544088,00.html |titel=Angst vor Weltuntergang&nbsp;– Amerikaner klagt gegen Teilchenbeschleuniger |werk=Spiegel Online |datum=2008-03-31 |abruf=2011-08-23}}</ref> Eine Gruppe um den Biochemiker [[Otto E. Rössler|Otto Rössler]] reichte beim [[Europäischer Gerichtshof für Menschenrechte|Europäischen Gerichtshof für Menschenrechte]] eine Klage gegen die Inbetriebnahme des LHC ein. Der damit verbundene Eilantrag wurde im August 2008 vom Gericht abgewiesen.<ref>{{Internetquelle |autor=Holger Dambeck |url=http://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/0,1518,575275,00.html |titel=Gericht weist Eilantrag gegen Superbeschleuniger ab |werk=Spiegel Online |abruf=2011-08-23}}</ref> Das deutsche [[Bundesverfassungsgericht]] lehnte die Annahme einer Verfassungsbeschwerde im Februar 2010 wegen fehlender grundsätzlicher Bedeutung und mangelnder Aussicht auf Erfolg ab.<ref>[[Bundesverfassungsgericht]]: ''[http://www.bundesverfassungsgericht.de/entscheidungen/rk20100218_2bvr250208.html BVerfG lehnt Maßnahmen gegen Superbeschleuniger ab.]'' 2 BvR 2502/08 vom 18.&nbsp;Januar 2010, abgerufen am 31.&nbsp;Juli 2013.</ref> Fachwissenschaftler stellten wiederholt fest, dass vom LHC und anderen Teilchenbeschleunigern keine Gefahren ausgehen. Die tragenden Argumente sind, dass erstens die theoretisch möglichen, mikroskopischen Schwarzen Löcher unmittelbar [[Hawking-Strahlung|zerstrahlen]] würden, anstatt wie befürchtet immer mehr Masse bzw. Energie aus der Umgebung aufzunehmen, und dass zweitens die natürliche kosmische Strahlung ständig mit noch höherer Energie als im LHC auf die Erdatmosphäre und auf andere Himmelskörper trifft, ohne dabei Katastrophen zu verursachen.<ref>J.-P. Blaizot u.&nbsp;a.: [http://cds.cern.ch/record/613175/files/CERN-2003-001.pdf ''Study of potentially dangerous events during heavy-ion collisions at the LHC.''] (PDF; 176&nbsp;kB), CERN Theoretical Physics Division, 28.&nbsp;Februar 2003, abgerufen am 31.&nbsp;Juli 2013.</ref><ref>Arnon Dar, Alvaro De Rújula, Ulrich Heinz: ''Will relativistic heavy-ion colliders destroy our planet?'' [[Physics Letters|Phys. Lett. B]] 470, 1999, S.&nbsp;142–148. {{arXiv|hep-ph/9910471}}.</ref><ref>W. Busza u.&nbsp;a.: ''[http://arxiv.org/abs/hep-ph/9910333 Review of speculative „disaster scenarios“ at RHIC.]'' Rev. Mod. Phys.&nbsp;72, 2000, S.&nbsp;1125–1140.</ref><ref>S. B. Giddings: ''Astrophysical implications of hypothetical stable TeV-scale black holes.'' In: ''Proceedings of APS/DPF/DPB Summer Study on the Future of Particle Physics.'' Snowmass, Colorado, 2001, S.&nbsp;P328, {{arXiv|hep-ph/0110127}}.</ref><ref>[http://www.ketweb.de/stellungnahmen/20080730_Stellungnahme_zu_den_Behauptungen_von_Prof_Otto_Roessler.pdf ''Stellungnahme zu den Behauptungen von Prof. Rössler.''] (PDF; 82&nbsp;kB), Komitee für Elementarteilchenphysik (KET), 30.&nbsp;Juli 2008, abgerufen am 31.&nbsp;Juli 2013.</ref><ref>[[John Ellis (Physiker)|J. Ellis]], [[Gian Francesco Giudice|G. F. Giudice]], M. L. Mangano, I. Tkachev, U. Wiedemann: ''Review of the Safety of LHC Collisions.'' In: ''[[Journal of Physics#Journal of Physics G|Journal of Physics&nbsp;G]]: Nuclear and Particle Physics.'' Vol.&nbsp;35, 115004 (2008). {{arXiv|0806.3414}}.</ref>

== Forschungsziele und bisherige Ergebnisse ==
=== Grundlagenforschung ===
Die Wissenschaftler erhoffen sich von den Experimenten am LHC die Beantwortung fundamentaler Fragen zu den [[Fundamentale Wechselwirkung|Grundkräften der Natur]], der Struktur von [[Raumzeit|Raum und Zeit]] sowie dem Zusammenhang zwischen [[Quantenphysik]] und [[Relativitätstheorie]]. Die Experimente am LHC werden entweder das [[Standardmodell]] der Elementarteilchenphysik bestätigen oder aber aufzeigen, dass Korrekturen am physikalischen Weltbild nötig sind.

Die hohe Kollisionsenergie des LHC hat zur Folge, dass nicht die Protonen als Ganzes, sondern deren einzelne Bestandteile, [[Quark (Physik)|Quarks]] und [[Gluon]]en, unabhängig voneinander kollidieren. In den meisten Fällen ist von jedem der beiden Protonen jeweils nur ein einziges Quark oder Gluon am Stoß beteiligt. Zwar hat die Energie der Protonen vor der Kollision einen exakt definierten Wert, doch können Energie und Impuls einzelner Quarks oder Gluonen entsprechend der [[Parton distribution function|Parton-Verteilungsfunktionen]] in einem großen Bereich variieren, sodass die Kollisionsenergie der beiden eigentlich relevanten Stoßpartner nicht genau festgelegt werden kann. Aufgrund dessen ist es einerseits möglich, trotz konstanter Energie der Protonen in einem großen Energiebereich nach neu erzeugten Teilchen zu suchen, weshalb der LHC als eine „Entdeckungsmaschine“ bezeichnet wird. Andererseits wird die Möglichkeit eingeschränkt, bestimmte Eigenschaften dieser neuen Teilchen präzise zu vermessen. Aus diesem Grund wird bereits über einen Nachfolger des LHC nachgedacht. Im [[International Linear Collider]] sollen dann, wie vormals bereits im LEP, abermals Elektronen und Positronen zur Kollision gebracht werden.<ref name="Zukunft">{{Literatur |Autor=G. Weiglein u.&nbsp;a. |Titel=Physics interplay of the LHC and the ILC |Sammelwerk=Physics Reports |Band=426 |Nummer=2–6 |Datum=2006 |Seiten=47–358; hier S.&nbsp;1–10 |arXiv=hep-ph/0410364 |DOI=10.1016/j.physrep.2005.12.003}}</ref> Deren Energie ist exakt einstellbar und im Gegensatz zu Protonen haben sie keine –&nbsp;zumindest keine bekannte&nbsp;– Substruktur.

=== Das Higgs-Boson ===
[[Datei:BosonFusion-Higgs.svg|mini|[[Feynman-Diagramm]] der Vektorbosonfusion, eines prominenten Prozesses zur Erzeugung von Higgs-Bosonen]]

Eine der Hauptaufgaben des LHC war die Suche nach dem [[Higgs-Boson]], dem letzten noch nicht endgültig nachgewiesenen Teilchen des [[Standardmodell]]s der Teilchenphysik. Am 4.&nbsp;Juli 2012 berichteten die Forschergruppen an den Detektoren [[ATLAS (Detektor)|ATLAS]] und [[Compact Muon Solenoid|CMS]], dass sie ein neues Boson gefunden haben, weitere Messungen bestätigten, dass sich das Teilchen wie vom Higgs-Boson erwartet verhält. Das Higgs-Boson bestätigt Theorien, mittels der die Massen der Elementarteilchen in das Standardmodell beziehungsweise in die [[Elektroschwache Wechselwirkung|Glashow-Weinberg-Salam-Theorie]] der [[Elektroschwache Wechselwirkung|elektroschwachen Wechselwirkung]] eingeführt werden.<ref name="Higgs Production">{{Literatur |Autor=M. Spira, A. Djouadi, D. Graudenz, R. M. Zerwas |Titel=Higgs boson production at the LHC |Sammelwerk=Nuclear Physics B |Band=453 |Nummer=1–2 |Datum=1995 |Seiten=17–82 |arXiv=hep-ph/9504378 |DOI=10.1016/0550-3213(95)00379-7}}</ref><ref name="CERN20120704">{{Internetquelle |autor=CERN Press Office |url=http://press.web.cern.ch/press-releases/2012/07/cern-experiments-observe-particle-consistent-long-sought-higgs-boson |titel=CERN experiments observe particle consistent with long-sought Higgs boson |datum=2012-07-04 |sprache=en |abruf=2013-07-30}}</ref> Anders gesagt bestätigt das Higgs-Boson die Existenz des sogenannten Higgs-Feldes und des zugrunde liegenden [[Higgs-Mechanismus]]; dieses Feld ist im Universum allgegenwärtig und führt durch Wechselwirkung mit den Elementarteilchen zu deren [[Masse (Physik)|Masse]].

Für die schon 1964 veröffentlichte zugehörige Theorie wurde [[François Englert]] und [[Peter Higgs]] 2013 der [[Nobelpreis für Physik]] verliehen.<ref name="nobel">Nobelprize.org: ''[http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2013/ The Nobel Prize in Physics 2013.]'' Abgerufen am 8. Oktober 2013.</ref>

=== Quark-Gluon-Plasma ===
Der im Vergleich zu Protonenkollisionen seltener angewandte Betriebsmodus der Kollision von Bleikernen dient dazu, kurzzeitig ein sehr hochenergetisches Plasma quasifreier Quarks und Gluonen zu erzeugen, ein sogenanntes [[Quark-Gluon-Plasma]]. Am Detektor ALICE werden auf diese Weise die Bedingungen nachgebildet und untersucht, die gemäß dem [[Urknall]]modell kurz nach dem Urknall geherrscht haben.<ref>Ker Than: [http://news.nationalgeographic.com/news/2011/05/110524-densest-matter-created-lhc-alice-big-bang-space-science/ ''Densest Matter Created in Big-Bang Machine.''] National Geographic News, 24.&nbsp;Mai 2012, abgerufen am 30.&nbsp;Juli 2013.</ref>

=== Präzisierung von Standardmodellparametern ===
Im Vergleich zu früheren Beschleunigern verfügt der LHC über einen höheren Energiebereich sowie über eine höhere Datenrate. Somit ist er geeignet, die Eigenschaften bereits nachgewiesener Elementarteilchen des Standardmodells genauer zu bestimmen als dies in Vorgängerexperimenten möglich war. So konnte am Vorgängerexperiment [[Tevatron]] das schwerste der bisher bekannten Elementarteilchen, das [[Quark (Physik)#Top-Quark|Top-Quark]], zwar nachgewiesen, seine Eigenschaften aber aufgrund der geringen Anzahl der produzierten Teilchen und der daraus resultierenden schlechten [[Statistik]] nur sehr ungenau bestimmt werden. Am LHC dagegen werden Top-Quarks in großer Anzahl erzeugt, was ein genaueres Studium der Eigenschaften dieses Teilchens ermöglicht. Er ist damit die erste sogenannte „t-Fabrik“.<ref name="Top Physics">{{Literatur |Autor=W. Bernreuther |Titel=Top-quark physics at the LHC |Sammelwerk=Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics |Band=35 |Nummer=8 |Datum=2008 |Seiten=083001 |arXiv=0805.1333 |DOI=10.1088/0954-3899/35/8/083001}}</ref> Darüber hinaus wurden am LHC mehrere neue [[Hadron]]en gefunden,<ref>{{Literatur |Autor=ATLAS Collaboration |Titel=Observation of a new chi_b state in radiative transitions to Upsilon(1S) and Upsilon(2S) at ATLAS |Datum=2011-12-21 |arXiv=1112.5154v1}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=LHCb Collaboration |Titel=Observation of excited Lambda<sub>b0</sub> baryons |Datum=2012-10-27 |arXiv=1205.3452}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=CMS Collaboration |Titel=Observation of a new Xi(b) baryon |Datum=2012-06-21 |arXiv=1204.5955}}</ref> beispielsweise das [[χb(3P)-Meson]] oder das [[Ξcc-Baryon]].

Ein weiteres wichtiges Forschungsfeld ist die Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum, die von den gängigen Urknalltheorien nicht erklärt wird. Unter Asymmetrie wird die Tatsache verstanden, dass das sichtbare Universum ausschließlich aus Materie und nicht zu gleichen Teilen aus Materie und Antimaterie aufgebaut ist. Das Studium der [[B-Physik]], schwerpunktmäßig am [[LHCb]]-Experiment, soll helfen, die [[CKM-Matrix]] genauer zu vermessen. Diese Matrix enthält einen [[CP-Verletzung|CP-verletzenden]] Anteil, der einen wichtigen Baustein für die Erklärung der Materie-Antimaterie-Asymmetrie darstellt. Die Größe der durch das Standardmodell vorhergesagten CP-Verletzung kann jedoch die beobachtete Asymmetrie nicht erklären, sodass die Messungen auch dazu dienen, nach Abweichungen vom Standardmodell zu suchen.<ref>P. Ball u.&nbsp;a.: ''B Decays at the LHC.'' CERN, 25.&nbsp;März 2000, {{arXiv|hep-ph/0003238v3}}, S.&nbsp;105.</ref> Dabei konnte die LHCb-Kollaboration erstmals CP-Verletzung bei B<sub>s</sub>-Mesonen nachweisen.<ref>{{Internetquelle |autor=CERN Press Office |url=http://press.web.cern.ch/press-releases/2013/04/lhcb-experiment-observes-new-matter-antimatter-difference |titel=LHCb experiment observes new matter-antimatter difference |datum=2013-04-24 |abruf=2013-07-21}}</ref>

Zu den Tests des Standardmodells zählt zudem die Erforschung des seltenen Zerfalls des B<sub>s</sub><sup>0</sup>-[[Meson]]s in zwei [[Myon]]en, der erstmals am LHC beobachtet wurde.<ref>{{Internetquelle |autor=CERN Press Office |url=http://press.web.cern.ch/press-releases/2013/07/cern-experiments-put-standard-model-stringent-test |titel=CERN experiments put Standard Model to stringent test |datum=2013-07-19 |abruf=2013-07-21}}</ref> Die Vorhersage, dass etwa drei von einer Milliarde B<sub>s</sub><sup>0</sup>-Mesonen auf genau diese Weise zerfallen, wurde im LHCb-Detektor und danach von CMS bestätigt.<ref>{{Literatur |Autor=CMS Collaboration |Titel=Measurement of the B<sub>s</sub> → µµ branching fraction and search for B<sub>0</sub> → µµ with the CMS Experiment |Datum=2013-07-21 |arXiv=1307.5025v1}}</ref> Ganz ohne diesen Zerfall wäre ein solches Messergebnis ansonsten lediglich mit einer Wahrscheinlichkeit von unter 0,001 % möglich.

=== Physik jenseits des Standardmodells ===
[[Datei:Susy Zerfall chi0.svg|mini|Prozess in einem supersymmetrischen Modell: Ein [[Gluon]] g und ein [[Down-Quark]] <math>d_R</math> wandeln sich in ihre jeweiligen Superpartner um. Diese zerfallen in die leichtesten Superpartner <math>\tilde \chi^0_1</math>, die durch fehlenden Gesamtimpuls indirekt registriert werden können.]]

Über die Überprüfung des Standardmodells und die genauere Vermessung seiner Parameter hinaus wird am LHC intensiv nach Hinweisen für Physik jenseits des Standardmodells ({{enS|Physics beyond the Standard Model}}) gesucht. Der mit Abstand größte Aufwand wird dabei für das Auffinden von Hinweisen auf [[Supersymmetrie]] betrieben. Da die supersymmetrische Erweiterung des Standardmodells sehr komplex ist, werden am LHC hauptsächlich bestimmte supersymmetrische Modelle getestet, wie etwa das [[Minimales supersymmetrisches Standardmodell|minimale supersymmetrische Standardmodell]] (MSSM). Einige in diesen Modellen neu auftauchende Teilchen, beispielsweise das [[Leichtestes supersymmetrisches Teilchen|leichteste supersymmetrische Teilchen]], stellen eine mögliche teilchenphysikalische Erklärung für die in der Astrophysik postulierte [[Dunkle Materie]] dar. Des Weiteren ist Supersymmetrie Bestandteil der meisten Modelle, welche die drei Wechselwirkungen des Standardmodells vereinigen&nbsp;– sogenannte [[große vereinheitlichte Theorie]]n. Zudem ist sie notwendig für die Super[[stringtheorie]]. In Fachkreisen wird angenommen, dass viele Superpartner eine Masse im Bereich von ungefähr 100&nbsp;GeV bis 1&nbsp;TeV haben und somit prinzipiell am LHC erzeugt und vermessen werden können. Ein typisches Signal für Supersymmetrie wäre die Erzeugung elektrisch neutraler Superpartner.<ref name="SUSY">{{Literatur |Autor=I. Hinchliffe, F. E. Paige, M. D. Shapiro, J. Söderqvist, W. Yao |Titel=Precision SUSY measurements at CERN LHC |Sammelwerk=Physical Review D |Band=55 |Nummer=9 |Datum=1997 |Seiten=5520–5540 |arXiv=hep-ph/9610544 |DOI=10.1103/PhysRevD.55.5520}}</ref> Diese möglichen Teilchen Dunkler Materie können vom Detektor zwar nicht direkt registriert werden, machen sich jedoch bei der Rekonstruktion des gesamten Kollisionsprozesses über spezielle Zerfallssignaturen mit hohem fehlendem [[Impuls]] bemerkbar. Viele der getesteten Modellvarianten gelten auf Grund der Ergebnisse der LHC-Experimente bereits als ausgeschlossen.<ref>{{cite web |url=https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/AtlasPublic/SupersymmetryPublicResults |title=ATLAS Supersymmetry (SUSY) searches |accessdate=2013-09-14}}</ref> Auch die aktuellsten Suchen nach supersymmetrischen Teilchen (Stand 05/2019) waren erfolglos.<ref>{{cite web|url=https://home.cern/news/news/physics/atlas-surveys-new-supersymmetry-territory|title=ATLAS surveys new supersymmetry territory - New studies from the ATLAS collaboration search for hypothetical “supersymmetric” particles around uncharted corners (23 May 2019)|accessdate=2019-09-05}}</ref>

Ein weiteres Forschungsobjekt innerhalb der Physik jenseits des Standardmodells sind aufgrund ihrer geringen Größe bislang unentdeckte Raumdimensionen. Diese Extradimensionen könnten sich bemerkbar machen durch verstärkte Wechselwirkung mit [[Graviton]]en,<ref>{{Literatur |Autor=Gouranga C Nayak |Titel=Graviton and Radion Production at LHC: From pp and PbPb Collisions |Sammelwerk=High Energy Physics – Phenomenology |Datum=2002 |arXiv=hep-ph/0211395}}</ref> durch den Nachweis von [[Kaluza-Klein-Theorie|Kaluza-Klein-Teilchen]] oder durch die Erzeugung kurzlebiger [[Micro Black Hole|mikroskopischer Schwarzer Löcher]].<ref>{{Literatur |Autor=Savas Dimopoulos, Greg Landsberg |Titel=Black Holes at the Large Hadron Collider |Sammelwerk=Physical Review Letters |Band=87 |Nummer=16 |Datum=2001 |Seiten=161602 |arXiv=hep-ph/0106295 |DOI=10.1103/PhysRevLett.87.161602}}</ref>

== Zukunft ==
Die Laufzeit des LHC wird voraussichtlich 2035{{Zukunft|2035}} enden. Bis zu diesem Zeitpunkt bestehen jedoch vielfältige Planungen. Bis einschließlich 2018 wurde vorrangig die Luminosität erhöht, die zweite große Umbaupause der Jahre 2019 und 2020 soll diese noch weiter steigern. Dazu werden auch die Vorbeschleuniger verbessert. Außerdem soll die Kollisionsenergie auf 14&nbsp;TeV steigen.<ref>Frédérick Bordry: [https://indico.cern.ch/event/466934/contributions/2473174/attachments/1451176/2316167/Fk_Bordry_LHC_Collider_Status_and_outlook_EPS_July_2017.pdf ''LHC Status and Outlook.''] EPS 2017.</ref> Zudem werden die inneren Detektoren von ALICE, CMS und LHCb ersetzt, um eine höhere Auflösung zu erhalten und um [[Strahlenschaden|Strahlenschäden]] in den Detektoren zu reduzieren. Die Wiederinbetriebnahme begann im Frühjahr 2021, die nächsten Experimente sollen im Frühjahr 2022 beginnen.<ref name="longtermschedule"/>{{Zukunft|2022|04}}

Voraussichtlich ab 2024 sind weitere Verbesserungen vorgesehen, deren genaue Umsetzung auch von den bis dahin gemachten Entdeckungen abhängen wird. Es ist geplant, den Beschleuniger und die Experimente auf eine noch höhere Luminosität vorzubereiten ({{lang|en|High Luminosity LHC}}, HL-LHC). Dazu muss die Anzahl der umlaufenden Teilchen weiter gesteigert werden. Zudem werden neue [[Quadrupol]]e eingesetzt, um den Teilchenstrahl besser zu fokussieren. Außerdem sind spezielle [[Hohlraumresonator|Kavitäten]], sogenannte [[Crab Cavity|Crab Cavities]], geplant, die die länglichen Teilchenpakete kurz vor dem Interaktionspunkt so drehen, dass sie möglichst zentral kollidieren und einander somit besser durchdringen.

Für die fernere Zukunft gibt es mehrere Ideen, wie der Beschleuniger weiter genutzt werden kann. Ein Konzept sieht die Umrüstung des LHC auf noch höhere Energien vor ({{lang|en|High Energy LHC}}). Dazu wäre es erforderlich, die Feldstärke sämtlicher Dipolmagnete von gegenwärtig 8,3&nbsp;[[Tesla (Einheit)|Tesla]] auf 20&nbsp;Tesla zu erhöhen und neuartige Quadrupole einzusetzen, wodurch Energien von 16,5&nbsp;TeV (Schwerpunktsenergie 33&nbsp;TeV) erreicht werden könnten. Darunter würde dann allerdings die Luminosität leiden, da nur noch halb so viele Teilchenpakete beschleunigt werden könnten. Auch die Umrüstung zu einem Hadron-Electron-Collider ([[LHeC]]) wäre möglich.<ref>{{Internetquelle |autor=Anaïs Schaeffer |url=http://cds.cern.ch/journal/CERNBulletin/2012/12/News%20Articles/1431013 |titel=The LHC and its successors |hrsg=CERN Bulletin |datum=2012-03-19 |sprache=en |abruf=2013-08-15}}</ref>

== Weblinks ==
{{Commons}}
{{Wikinews|Kategorie:Large Hadron Collider|Large Hadron Collider}}
* [http://home.web.cern.ch/about/accelerators/large-hadron-collider Homepage des LHC am CERN]
* [http://www.lhc-facts.ch/ Informationen zum LHC] – Daten, Fakten und Funktionen (private Seite)
* [http://www.lhcportal.com/ LHC Portal] – Webportal zu Seiten des CERN über den Beschleuniger und die Detektoren
* [http://www.weltmaschine.de/ Website der deutschen LHC-Forscher] mit aktuellen Geschichten und Hintergrundinformationen
* [http://www.weltderphysik.de/gebiet/teilchen/experimente/teilchenbeschleuniger/lhc/ Ausführliche Seite über den LHC] Auf: ''weltderphysik.de.''
* [http://cdsweb.cern.ch/collection/Multimedia%20&%20Outreach?ln=de Bilder- und Videosammlung rund um den LHC] auf dem ''CERN Document Server.''
* [http://magazine.orf.at/alpha/programm/2009/091102_urknallmaschine.htm ''Die Urknallmaschine&nbsp;– ein Film von Gert Baldauf&nbsp;– präsentiert von Norbert Frischauf.''] Eine LHC/CERN-Dokumentation des ORF aus dem Jahr 2009, als Video-on-demand abrufbar.

== Literatur ==
* Oliver Sim Brüning (Hrsg.) u.&nbsp;a.: ''LHC design report.'' Volume I: ''The LHC main ring.'' CERN, Genf 2004, {{Falsche ISBN|92-9083-224-0}}. [http://cds.cern.ch/record/782076/files/CERN-2004-003-V1.pdf Online.] (PDF; 29&nbsp;MB).
* CERN Communication group: ''Destination Universe. The incredible journey of a proton in the Large Hadron Collider.'' CERN, Genf 2008, ISBN 978-92-9083-316-1. [http://cds.cern.ch/record/1259890/files/CERN-Brochure-2008-013-Eng.pdf Online.] (PDF; 155&nbsp;MB).
:* CERN Kommunikationsgruppe (Übersetzung Th. Naumann): [https://www.weltmaschine.de/sites/sites_custom/site_weltmaschine/content/e36736/e42241/e42246/e42251/LHC-Guide_CERN-Brochure-2009-003-Ger.pdf ''LHC – ein Leitfaden.''] CERN, 2009 (PDF; 6,0&nbsp;MB). Abgerufen am 30.&nbsp;Juli 2013.
* {{cite book |author=Don Lincoln |title=Die Weltmaschine. Der LHC und der Beginn einer neuen Physik |year=2011 |publisher=Spektrum Akademischer Verlag |isbn=978-3-8274-2463-1}}
* {{cite book |author=Jörg Resag |title=Die Entdeckung des Unteilbaren. Quanten, Quarks und der LHC |year=2010 |publisher=Springer |isbn=978-3-8274-2485-3}}
* {{cite book |author=[[Gian Francesco Giudice]] |title=Odyssee im Zeptoraum. Eine Reise in die Physik des LHC |year=2012 |publisher=Springer |isbn=978-3-642-22394-5}}

== Einzelnachweise ==
<references responsive />

{{Exzellent|15. September 2013|122546243}}

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{{Normdaten|TYP=s|GND=4398783-7|LCCN=sh/85/74708}}

[[Kategorie:Teilchenbeschleuniger]]
[[Kategorie:CERN]]
[[Kategorie:Internationales Forschungsprojekt]]
[[Kategorie:Unterirdisches Bauwerk]]