Gran colisionador de hadrones
Coordenadas: 46°14′N 06°03′E / 46.233, 6.050
El Gran Colisionador de Hadrones (LHC; en inglés, Large Hadron Collider) es el acelerador de partículas más grande y de mayor energía que existe y la máquina más grande construida por el ser humano en el mundo. Fue construido por la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) entre 1998 y 2008 en colaboración con más de 10 000 científicos y cientos de universidades y laboratorios, así como más de 100 países de todo el Mundo. Se encuentra en un túnel de 27 kilómetros de circunferencia y a una profundidad de 175 metros bajo tierra debajo de la frontera entre Francia y Suiza, cerca de Ginebra.
Las primeras colisiones se lograron en 2010 a una energía de 3,5 teraelectronvoltios (TeV) por haz, aproximadamente cuatro veces el récord mundial anterior. Después de las correspondientes actualizaciones, alcanzó 6,5 TeV por haz (13 TeV de energía de colisión total, el récord mundial actual). A finales de 2018, entró en un período de parada de dos años para nuevas actualizaciones, con el cual se espera posteriormente alcanzar energías de colisión aún mayores.
El colisionador tiene cuatro puntos de cruce, alrededor de los cuales se colocan siete detectores, cada uno diseñado para ciertos tipos de experimentos en investigación. El LHC hace colisionar protones, pero también puede utilizar haces de iones pesados (por ejemplo de plomo) realizándose colisiones de protones de plomo normalmente durante un mes al año. El objetivo de los detectores del LHC es permitir a los físicos probar las predicciones de las diferentes teorías de la física de partículas, incluida la medición de las propiedades del bosón de Higgs y la búsqueda de una larga serie de nuevas partículas predicha por las teorías de la supersimetría, así como también otros problemas no resueltos en la larga lista de elementos en la física de partículas.
El término "hadrón" se refiere a aquellas partícula subatómicas compuestas de quarks unidos por la fuerza nuclear fuerte (así como los átomos y las moléculas se mantienen unidos por la fuerza electromagnética). Los hadrones más conocidos son los bariones, como pueden ser los protones y los neutrones. Los hadrones también incluyen mesones como el pión o el kaón, que fueron descubiertos durante los experimentos de rayos cósmicos a fines de la década de 1940 y principios de la de 1950.
Un "colisionador" es un tipo de acelerador de partículas con dos haces enfrentados de partículas que chocan entre sí. En la física de partículas, los colisionadores se utilizan como herramientas de investigación: aceleran las partículas a energías cinéticas muy altas que les permiten impactar con otras partículas. El análisis de los subproductos de estas colisiones brinda a los científicos una buena evidencia de la estructura del mundo subatómico y de las leyes de la naturaleza que lo gobiernan. Muchos de estos subproductos se producen sólo mediante colisiones de alta energía y se descomponen después de períodos de tiempo muy breves. Por lo tanto, muchos de ellos son difíciles o casi imposibles de detectar de otra manera.
Muchos físicos esperan que el Gran Colisionador de Hadrones ayude a responder algunas de las preguntas fundamentales de la física que se refieren a las leyes básicas que rigen las interacciones y fuerzas entre las partículas elementales, la estructura profunda del espacio y el tiempo y, en particular, la interrelación entre la mecánica cuántica y la relatividad general.
También se necesitan datos de experimentos de partículas de alta energía para sugerir qué versiones de los modelos científicos actuales tienen más probabilidades de ser correctas, en particular para elegir entre el modelo estándar y el modelo de Higgsless, validando sus predicciones y permitir un mayor desarrollo teórico.
Los temas investigados por las colisiones del LHC incluyen, entre otras preguntas fundamentales:
Otras preguntas abiertas sobre las que podemos interrogarnos utilizando colisiones de partículas de alta energía son las siguientes:
El colisionador está situado en un túnel circular, con una circunferencia de 26,7 kilómetros, a una profundidad que varía de 50 a 175 metros bajo tierra.
El túnel forrado de hormigón de 3,8 metros de ancho, construido entre 1983 y 1988, ya se utilizó anteriormente para albergar el gran colisionador de electrones y positrones. El túnel cruza la frontera entre Suiza y Francia en cuatro puntos, en su mayor parte en Francia. Los edificios de la superficie tienen diferentes equipos auxiliares como compresores, equipos de ventilación, electrónica de control y plantas de refrigeración, aparte de los módulos construidos para albergar alojamientos, cocina, salones, salas de descanso, computación, etc.
El túnel colisionador contiene dos líneas de haces paralelos adyacentes (o tubos de haces), cada uno de las cuales contiene un haz, que viaja en direcciones opuestas alrededor del anillo. Los haces se cruzan en cuatro puntos alrededor del anillo, que es donde tienen lugar las colisiones de partículas. Unos 1.232 imanes dipolos mantienen los haces en su trayectoria circular (ver imagen)), mientras que se utilizan 392 imanes cuadripolo adicionales para mantener los haces enfocados, con otros imanes cuadripolo más potentes cerca de los puntos de intersección, para maximizar las posibilidades de interacción donde se cruzan las dos líneas.
Imanes multipolares superiores se utilizan para corregir las imperfecciones más pequeñas en la geometría del campo. En total, se han instalado unos 10 000 imanes superconductores, con imanes dipolos, con un peso total de más de 27 toneladas cada uno.
Se necesitan aproximadamente 96 toneladas de Helio-4 superfluido para mantener los imanes, hechos de niobio-titanio revestido de cobre, a una temperatura de funcionamiento de tan sólo 1,9 K (−271.25° C), lo que hace que el LHC sea la instalación criogénica más grande del mundo. Para ello, el LHC utiliza en total 470 toneladas del superconductor Nb-Ti.
Durante las operaciones del LHC, el CERN consume aproximadamente 200 MWs de energía eléctrica de la red eléctrica francesa, que, en comparación, es aproximadamente un tercio del consumo total de toda la energía de la ciudad de Ginebra. El acelerador LHC y los detectores consumen aproximadamente 120 MW de los mismos.
Cuando funciona en el registro de energía actual de 6,5 TeV por protón lanzado al haz, una o dos veces al día, a medida que los protones se aceleran de 450 GeV a 6,5 TeV , el campo de los imanes dipolares superconductores aumenta de 0,54 a 7,7 teslas (T). Cada protón tiene una energía de 6,5 TeV, lo que proporciona en el choque una energía de colisión total de 13 TeV. En esta energía los protones tienen un factor de Lorentz de alrededor de 6 930 y se mueven a aproximadamente 0,999999990 c, o sea: alrededor de 3,1 m/s (11 km/h) más lenta que el límite máximo de la velocidad de la luz en el vacío (c). En total, tarda menos de 90 microsegundos (μs) para que un protón viaje 26,7 km alrededor del anillo principal. Esto da como resultado 11.245 revoluciones por segundo para los protones dentro del túnel circular, ya sea que las partículas tengan una energía baja o alta en el anillo principal o que la diferencia de velocidad entre estas energías esté más allá del quinto decimal.
En lugar de tener haces continuos, los protones se agrupan, formando hasta 2.808 racimos, con 115 mil millones de protones en cada grupo, de modo que las interacciones entre los dos haces tienen lugar a intervalos discretos, principalmente a una distancia luz de 25 nanosegundos (ns), proporcionando una tasa de colisión de 40 MHz. Fue puesto en funcionamiento con menos racimos de protones durante los primeros años. La luminosidad de diseño del LHC es de 1034 cm−2 s−1, , la cual fue alcanzada por primera vez en junio de 2016. En 2017 se logró el doble de este valor.
Antes de ser inyectadas en el acelerador principal, las partículas son preparadas por una serie de sistemas que aumentan sucesivamente su energía. El primer sistema es el acelerador lineal de partículas LINAC 2 que genera protones de 50 MeV, que alimenta el Proton Synchrotron Booster (PSB).
Allí los protones se aceleran a 1,4 GeV y se inyectan en el Sincrotrón de Protones (PS), donde se aceleran a 26 GeV. Finalmente, el Supersincrotrón de Protones (SPS) se usa para aumentar su energía aún más hasta 450 GeV antes de que finalmente se inyecten (durante un período de varios minutos) en el anillo principal. Aquí los racimos de protones se acumulan y aceleran (durante un período de 20 minutos) a su pico máximo de energía y, finalmente, circulan durante 5 a 24 horas seguidas mientras se producen colisiones en los cuatro puntos de intersección.
El programa fundamental del LHC se basa principalmente en colisiones protón-protón. Sin embargo, se incluyen en el programa períodos de funcionamiento más cortos, generalmente un mes por año, con colisiones de iones pesados. Si bien los iones más ligeros también son considerados, el esquema de línea de base se ocupa fundamentalmente de los iones de plomo Los iones de plomo son acelerados primero por el acelerador lineal LINAC 3 , y el anillo de iones de baja energía (LEIR) se usa como una unidad de almacenamiento y enfriador de iones. Luego, los PS y SPS aceleran aún más los iones antes de inyectarlos en el anillo LHC, donde alcanzan una energía de 2,3 TeV por nucleón (o 522 TeV por ion), superior a las energías alcanzadas por el colisionador de iones pesados relativista. El objetivo del programa de iones pesados es investigar el Plasma de quarks-gluones que existía en el universo temprano.
Se han construido siete detectores en el LHC ubicados bajo tierra en grandes cavernas excavadas en los puntos de intersección del LHC. Dos de ellos, el experimento ATLAS y el solenoide de muon compacto (CMS), son grandes detectores de partículas de uso general. Los experimentos de ALICE y LHCb tienen roles más específicos y los últimos tres, TOTEM, MoEDAL y LHCf, son mucho más pequeños y son para investigaciones muy especializadas. Los experimentos con ATLAS y el CMS descubrieron el bosón de Higgs, que es una fuerte evidencia de que el Modelo Estándar tiene el mecanismo correcto para dar masa a las partículas elementales. En resumen, los siete detectores son: ATLAS, CMS, TOTEM, LHCb, LHCf, MoEDAL y FASER.
El resumen de los detectores principales es el que sigue:
Los datos informáticos producidos por el LHC, así como la simulación relacionada con LHC, se estiman aproximadamente en 15 petabytes al año (el rendimiento máximo durante la ejecución no se ha especificado), lo cual es un enorme desafío de computación en todo momento.
El LHC Computing Grid fue construido como parte del diseño del LHC para manejar la gran cantidad de datos esperados en las colisiones. Es un proyecto de colaboración internacional que consiste en una infraestructura basada en una red informática que conecta inicialmente 140 centros de computación en 35 países (superado por más de 170 centros en 36 países a partir de 2012). Fue diseñado específicamente por el CERN para manejar el volumen masivo de datos informáticos producidos por los experimentos del LHC. incorporando conexiones privadas con cable de fibra óptica e infraestructuras existentes de Internet de alta velocidad para permitir la transferencia de datos del CERN a instituciones académicas de todo el mundo. El Open Science Grid se utiliza como la infraestructura primaria en los Estados Unidos, y también como parte de una federación interoperable con el LHC Computing Grid.
El proyecto de computación distribuida LHC@home se preparó para apoyar la construcción y calibración del LHC. El proyecto utiliza la plataforma BOINC, que permite a cualquier persona con una conexión a Internet y una computadora con Mac OS X, Windows o Linux, usar el tiempo de inactividad de su computadora para simular cómo viajarán las partículas dentro de las tuberías del haz. Con esta información, los científicos pueden determinar cómo deben calibrarse los imanes para obtener la "órbita" más estable dentro de los haces del anillo. En agosto de 2011, se lanzó una segunda aplicación (Test4Theory) que realiza simulaciones para comparar los datos reales de la prueba y poder determinar así los niveles de confianza de los resultados.
Para 2012 se habían analizado datos de más de 6.000 billones (6x1015) de colisiones de protones-protones del LHC. Los datos de colisión del LHC se producían a aproximadamente 25 petabytes por año, y la red de computación LHC se había convertido en la red informática más grande del mundo en 2012, incluyendo más de 170 instalaciones informáticas en una red mundial en 36 países.
El LHC entró en funcionamiento por primera vez el 10 de septiembre de 2008, pero las pruebas iniciales se retrasaron durante 14 meses, del 19 de septiembre de 2008 al 20 de noviembre de 2009, luego de un incidente en el enfriamiento de un imán por causas de un fallo de las conexiones eléctricas por cables que causó daños extensos a más de 50 imanes superconductores, sus montajes y al tubo de vacío.
Durante su primera puesta en marcha (2010–2013), el LHC colisionó dos haces opuestos de partículas de protones hasta alcanzar los 4 teraelectronvoltios (4 TeV o 0,64 microjulios), o de núcleos principales (574 TeV por núcleo, o 2,76 TeV por nucleón). Sus primeros descubrimientos incluyeron el bosón de Higgs, buscado durante mucho tiempo, varias partículas compuestas (hadrones) como el estado del bottomonio χ b (3P), la primera creación del plasma de quark-gluón, y las primeras observaciones de la rarísima descomposición del mesón B s en dos muones (B s 0 → μ + μ -), lo que cuestionó la validez de los modelos existentes sobre la supersimetría.
El tamaño del LHC constituye un desafío de ingeniería excepcional con problemas operativos únicos debido a la cantidad de energía almacenada en los imanes y dentro de los haces. Mientras está en funcionamiento, la energía total almacenada en los imanes es de 10 GJ (2 400 kilogramos de TNT) y la energía total transportada por los dos haces alcanza 724 MJ (173 kilogramos de TNT).
La pérdida de sólo una diezmillonésima parte (10 −7) del haz es suficiente para apagar un imán superconductor, mientras que cada uno de los dos volcados del haz debe absorber 362 MJ (87 kilogramos de TNT). Estas energías son transportadas por muy poca materia: bajo condiciones nominales de operación (2.808 racimos por haz o, lo que es lo mismo, 1,15 × 10 11 protones por racimo), los tubos del haz contienen 1,0 × 10 −9 gramos de hidrógeno que, en condiciones estándar de temperatura y presión, ocuparían el espacio con el volumen de un grano de arena fina.
Con un presupuesto de 7 500 millones de euros (aprox. 9.000 millones de dólares en junio de 2010), el LHC es uno de los instrumentos científicos más caros jamás construidos. Se espera que el costo total del proyecto sea del orden de 4.600 millones de francos suizos (aproximadamente 4.400 millones de dólares o 3.100 millones a partir de enero de 2010) para el acelerador y 1.160 millones de francos suizos (aproximadamente 1100 millones de dólares o 800 millones de euros a partir de enero de 2010) para los experimentos proyectados por el CERN.
La construcción de LHC se aprobó en 1995 con un presupuesto de 2600 millones de francos suizos, junto con otros 210 millones de francos suizos destinados a los experimentos. Sin embargo, los sobrecostes estimados (en una revisión importante en 2001) aumentaron en otros 480 millones de francos suizos el coste del acelerador y otros 50 millones más para los experimentos, junto con una reducción para el presupuesto del CERN, lo cual retrasó la fecha de finalización del proyecto de 2005 a abril de 2007. La superconducción de los imanes fue la causa de un incremento de otros 180 millones en el aumento de los costos. También hubo más costos y demoras debido a dificultades de ingeniería encontradas durante la construcción de la gruta para instalar el solenoide de muon compacto, y también debido a los soportes magnéticos que no fueron suficientemente bien diseñados y fallaron en sus primeras pruebas iniciales (2007) y otros daños causados por un enfriamiento magnético y el escape de helio líquido (en la prueba inaugural de 2008). Debido a que los costos de electricidad son más bajos durante el verano el LHC normalmente no opera durante los meses de invierno, aunque se hicieron excepciones durante los inviernos de 2009/2010 y de 2012/2013 para compensar los retrasos en el arranque de 2008 y para mejorar así la precisión de las mediciones de la nueva partícula descubierta en 2012.
En ambas puestas en funcionamiento (2010 a 2012 y 2015), el LHC funcionó con energías inferiores al plan operativo planificado inicialmente y aumentó hasta sólo (2 x) 4 TeV de energía en su primera puesta en marcha y a (2 x) 6,5 TeV en su segundo encendido, por debajo de la energía de diseño prevista de (2 x) 7 TeV. Esto se debe a que los imanes superconductores masivos requieren un entrenamiento considerable del imán para manejar correctamente las altas corrientes involucradas sin perder su capacidad superconductora y esas altas intensidades son necesarias para permitir una alta energía en la colisión de los protones. El proceso de "entrenamiento" implica encender repetidamente los imanes con corrientes bajas para evitar cualquier enfriamiento o movimientos diminutos que puedan producirse. También lleva tiempo enfriar los imanes a su temperatura de funcionamiento de alrededor de 1,9 K (cerca del cero absoluto). Con el tiempo, el imán "se adapta" y deja de apagarse frente a estas corrientes de menor intensidad y puede manejar las altas corrientes de diseño sin dejar de funcionar. Los medios del CERN describen este problema con la analogía de que los imanes "sacuden" las inevitables pequeñas imperfecciones de fabricación en sus cristales que inicialmente habían deteriorado su capacidad para manejar las corrientes planificadas. Los imanes, con el tiempo, y con "entrenamiento", gradualmente se vuelven capaces de manejar las corrientes planificadas en el diseño original sin apagarse.
El primer lanzamiento de protones se hizo circular a través del colisionador en la mañana del 10 de septiembre de 2008. El CERN disparó con éxito una ráfaga de protones alrededor del túnel por etapas, tres kilómetros a la vez. Las partículas se lanzaron en el sentido de las agujas del reloj hacia el acelerador y se dirigieron con éxito al punto de colisión a las 10:28 hora local. El LHC completó con éxito su prueba principal: después de una serie de pruebas de funcionamiento, dos puntos blancos destellaron en la pantalla de un ordenador que mostraba que los protones viajaban por todo el colisionador. Llevó menos de una hora guiar la corriente de partículas alrededor de su circuito inaugural del haz. A continuación, el CERN envió con éxito un haz de protones en sentido contrario a las agujas del reloj, tardando un poco más de una hora y media debido a un problema con la criogenización y proceso de recorrido del circuito se completó a las 14:59.
El 19 de septiembre de 2008, se produjo un apagado del funcionamiento del colisionador en unos 100 imanes de flexión en los sectores 3º y 4º, debido a un fallo eléctrico que provocó una pérdida de una seis toneladas de helio líquido (el refrigerante criogénico de los imanes), que se escaparon a través del túnel del colisionador. El vapor que se escapó se expandió con fuerza explosiva dañando un total de 53 imanes superconductores y sus anclajes de sustentación, contaminando la tubería de vacío, que también pasó a estar inoperativa.
Poco después del incidente, el CERN informó que la causa más probable del problema era una conexión eléctrica defectuosa entre dos imanes y que, debido al tiempo necesario para calentar los sectores afectados y luego volver a enfriarlos a la temperatura de funcionamiento (recuérdese que el túnel debe ser enfriado casi a temperatura cercana al cero absoluto), tomaría al menos dos meses para arreglarlo. El CERN publicó un informe técnico provisional y un análisis preliminar del incidente los días 15 y 16 de octubre de 2008, respectivamente. y una investigación mucho más detallada el 5 de diciembre de 2008. El análisis del incidente por parte del CERN confirmó que un fallo eléctrico estaba en el origen del problema. La conexión eléctrica defectuosa había conducido a una interrupción de energía de los sistemas eléctricos que alimentan los imanes superconductores, pero también causó un arco eléctrico (o descarga) que dañó la integridad del contenedor del helio sobreenfriado y el aislamiento de vacío, lo que provocó que la temperatura y la presión del refrigerante aumentaran rápidamente más allá de la capacidad de seguridad del sistema para contenerlo y condujo a un aumento de la temperatura en aproximadamente 100 grados centígrados en algunos de los imanes afectados. La energía almacenada en los imanes superconductores y el ruido eléctrico inducido en otros detectores de enfriamiento también desempeñaron un papel en el rápido sobrecalentamiento. Alrededor de dos toneladas de helio líquido escaparon explosivamente antes de que los detectores activaran una parada de emergencia y otras cuatro toneladas se filtraron fuera después a una presión más baja. Un total de 53 imanes se vieron dañados en el incidente y fueron reparados o reemplazados durante la habitual interrupción de funcionamiento que se lleva a cabo durante el invierno. Este accidente fue discutido a fondo en un artículo de Ciencia y Tecnología de Superconductores del 22 de febrero de 2010 por el físico del CERN Lucio Rossi.
En las previsiones iniciales, antes de la puesta en marcha del LHC, se esperaba que las primeras colisiones "modestas" de alta energía en un centro del marco de impulso de energía de 900 GeV tuvieran lugar antes de finales de septiembre de 2008, y se esperaba que el LHC estuviera operando a 10 TeV para fines de 2008. Sin embargo, debido a la demora causada por el incidente mencionado, el colisionador no estuvo operativo hasta noviembre de 2009. A pesar de la demora, el LHC se inauguró oficialmente el 21 de octubre de 2008, en presencia de líderes políticos, ministros de ciencia de los 20 Estados miembros del CERN, funcionarios del mismo y miembros de la comunidad científica mundial.
La mayor parte de 2009 se empleó en reparaciones y revisiones de los daños causados por el incidente referido, junto con otras dos fugas de vacío identificadas en julio de ese mismo año, que no permitieron el inicio de nuevas operaciones en el colisionador hasta noviembre de 2009.
El 20 de noviembre de 2009, haces de baja energía circularon en el túnel por primera vez desde el accidente y, poco después, el 30 de noviembre, el LHC alcanzó 1,18 TeV por haz para convertirse en el acelerador de partículas de mayor energía del mundo, superando el registro máximo anterior sustentado hasta entonces por el Tevatron durante ocho años (con 0,98 TeV).
Durante la primera parte de 2010 se aumentó progresivamente la potencia y se llevaron a cabo los primeros experimentos de física con 3,5 TeV por haz. El 30 de marzo de 2010, el LHC estableció un nuevo récord de colisiones de alta energía al chocar haces de protones a un nivel de energía combinado de 7 TeV. El intento fue el tercero ese día, después de dos intentos fallidos en los que los protones tuvieron que ser "arrojados" fuera del colisionador. Esto también marcó el inicio del programa principal de investigación para el cual se había diseñado en origen el LHC.
El primer ensayo con éxito terminó el 4 de noviembre de 2010. Una puesta en marcha con iones de plomo comenzó el 8 de noviembre de 2010 y terminó el 6 de diciembre de ese año, permitiendo que el experimento ALICE estudie la materia en condiciones extremas similares a las que se produjeron poco después del Big Bang.
Originalmente, el CERN planeó que el LHC funcionara hasta finales de 2012, con un breve descanso a fines de 2011, para permitir un aumento en la energía del haz de 3,5 hasta los 4 TeV. A finales de 2012, se planeó cerrar el LHC hasta aproximadamente 2015 para permitir su actualización hasta una energía planificada de 7 TeV por haz. A finales de 2012, a la luz del descubrimiento del bosón de Higgs en julio de 2012, el cierre se pospuso durante algunas semanas hasta principios de 2013 para permitir obtener otros datos adicionales sobre dicho descubrimiento antes de la parada prevista.
El LHC se clausuró el 13 de febrero de 2013 para su actualización prevista de 2 años, denominada Long Shutdown 1 (LS1), que tenía que ver con muchos aspectos iniciales del proyecto del LHC: permitir colisiones a 14 TeV, mejorando sus detectores y preaceleradores (el Proton Synchrotron y Super Proton Synchrotron), además de reemplazar su sistema de ventilación y 100 km de cableado deteriorado por colisiones de alta energía desde su primera puesta en funcionamiento. El colisionador actualizado comenzó su largo proceso de arranque y prueba de funcionamiento en 2014, con el Proton Synchrotron Booster a partir del 2 de junio de 2014, la interconexión final entre los imanes y las partículas del Proton Synchrotron en circulación el 18 de junio de 2014 y la primera sección del sistema principal de superimanes LHC que alcanzó una temperatura de funcionamiento de 1,9 K (−271.25 ° C) unos días después. Debido al lento progreso en el "entrenamiento" de los imanes superconductores, se decidió comenzar la segunda ejecución con una energía más baja de tan sólo 6,5 TeV por haz, que corresponde a una corriente de 11 000 amperios. Se informó finalmente que el primero de los principales imanes del LHC había sido "entrenado" con éxito antes del 9 de diciembre de 2014, mientras que la capacitación final de los otros sectores de imanes se terminó en marzo de 2015.
El 5 de abril de 2015, el LHC se reinició después de un descanso de dos años, durante el cual los conectores eléctricos entre los imanes de flexión se actualizaron para manejar de manera segura la corriente requerida de 7 TeV por haz (14 TeV en la colisión). Sin embargo, los imanes de flexión solo fueron entrenados para manejar hasta 6,5 TeV por haz (13 TeV en total durante la colisión frontal), que se convirtió en la energía operativa útil desde 2015 a 2017. Dicha energía se alcanzó por primera vez el 10 de abril de 2015. Las mejoras culminaron en el momento en el que logró colisionar protones con una energía combinada de 13 TeV. El 3 de junio de 2015, el LHC comenzó a entregar datos informáticos de física de partículas después de casi dos años sin funcionamiento operativo. En los meses siguientes se usó para efectuar colisiones protón-protón, mientras que en noviembre la máquina cambió para realizar colisiones de iones de plomo y, finalmente, en diciembre comenzó el apagado habitual de invierno.
En 2016, los operadores de la máquina se centraron en aumentar la "luminosidad" de las colisiones protón-protón. El valor previsto en el diseño se alcanzó por primera vez el 29 de junio, y otras mejoras posteriores aumentaron la tasa de colisión en un 40% por encima del valor de diseño originalmente previsto. El número total de colisiones en 2016 excedió el número de la Fase 1 con energías cada vez más altas por colisión. El primer ciclo protón-protón fue seguido por cuatro semanas de colisiones protón-plomo.
En 2017, la luminosidad se incrementó aún más y alcanzó el doble del valor del diseño original. El número total de colisiones también fue mayor que en 2016.
El funcionamiento en 2018 comenzó el 17 de abril y se detuvo el 3 de diciembre, incluidas cuatro semanas de colisiones de núcleos de plomo contra plomo.
La denominada Long Shutdown 2 (LS2) comenzó el 10 de diciembre de 2018. El LHC y todo el complejo de aceleradores del CERN se hallan en mantenimiento y se actualizan progresivamente. El objetivo de las actualizaciones es implementar el proyecto del Colisionador de Hadrones Grandes de Alta Luminosidad (HL-LHC), que aumentará la luminosidad en un factor de 10. Se proyecta que el LS2 termine en 2021, seguido de la Puesta en Funcionamiento número 3ª. El HL-LHC debería estar ya operativo en 2026. El cierre prolongado (LS3) hasta 2020 tendrá lugar antes de que se complete el proyecto HL-LHC.
Durante las primeras semanas solamente, unos pocos racimos de partículas estarán circulando en el LHC para depurar y validar la máquina. Los racimos aumentarán gradualmente durante las próximas semanas hasta que haya suficientes partículas en la máquina para comenzar las colisiones y comenzar a recopilar datos físicos.
Un enfoque inicial de la investigación fue investigar la posible existencia del bosón de Higgs, una parte clave del Modelo estándar de la física de partículas, que se predice por la teoría, pero que aún no se había observado antes debido a su gran masa y naturaleza evasiva. Los científicos del CERN estimaron que, si el Modelo Estándar fuera correcto, el LHC produciría varios bosones de Higgs cada minuto, permitiendo a los físicos finalmente confirmar o refutar la existencia del bosón de Higgs. Además, el LHC permitió la búsqueda de partículas supersimétricas y otras partículas hipotéticas como posibles áreas aún desconocidas de la física subatómica. Algunas extensiones del modelo estándar predicen partículas adicionales, como los [bosón|bosones de calibre W' y Z']] pesados, que también se estima que están al alcance de la capacidad intrínseca del LHC, pero que aún están por descubrir.
Los primeros resultados físicos del LHC, que involucraron 284 colisiones, que tuvieron lugar en el detector ALICE, se publicaron el 15 de diciembre de 2009. Se publicaron los resultados de las primeras colisiones protón-protón a energías superiores a las colisiones protón-antiprotón Tevatron de Fermilab, gracias a la colaboración del detector CMS a principios de febrero de 2010, produciendo un conjunto de hadrones cargados mayor de lo previsto.
Después del primer año de recopilación de datos, gracias a las colisiones experimentales del LHC, se comenzaron a publicar los resultados preliminares sobre búsquedas de una nueva física más allá del Modelo Estándar en las colisiones protón-protón. No se detectó evidencia de nuevas partículas en los datos recopilados en 2010. Como resultado, se establecieron límites en el espacio de parámetros permitido de varias extensiones del Modelo estándar, como los modelos con grandes dimensiones adicionales o versiones restringidas del Modelo estándar supersimétrico mínimo y otros.
El 24 de mayo de 2011, se informó que el plasma quark-gluón (la materia más densa que se cree que existe además de los agujeros negros) había podido ser creado finalmente en el LHC.
Entre julio y agosto de 2011, los resultados de las búsquedas del bosón de Higgs y de otras partículas exóticas, basados en los datos recopilados durante la primera mitad de la carrera de 2011, se presentaron en varias conferencias en Grenoble y Bombay. En la última conferencia se informó que, a pesar de los indicios de una señal del bosón de Higgs en datos anteriores, los detectores ATLAS y CMS excluyen (con un nivel de confianza del 95% utilizando el método CL) la existencia de un bosón de Higgs con las propiedades predichas por el Modelo Estándar sobre la mayor parte de la región con una masa entre 145 y 466 GeV. Las búsquedas de nuevas partículas tampoco produjeron señales, lo que permitió restringir aún más el espacio de parámetros de varias extensiones del Modelo Estándar, incluyendo sus extensiones supersimétricas.
El 13 de diciembre de 2011, el CERN informó que el bosón de Higgs predicho por el Modelo Estándar, si existía, era más probable que tuviera una masa restringida en el rango de 115–130 GeV. Tanto los detectores CMS como ATLAS también habían mostrado picos de intensidad en el rango de 124-125 GeV consistentes con el ruido de fondo o con la observación del bosón de Higgs.
El 22 de diciembre de 2011, se informó que se había observado una nueva partícula compuesta, el estado del bottomonio χ b (3P).
El 4 de julio de 2012, los equipos de CMS y ATLAS anunciaron el descubrimiento de un bosón en la región de masas alrededor de 125–126 GeV, con un valor estadístico al nivel de 5 sigma cada uno. Esto cumple con el nivel formal requerido para anunciar una nueva partícula. Las propiedades observadas fueron consistentes con el bosón de Higgs, pero los científicos fueron cautelosos en cuanto a si se identificaba formalmente como el bosón de Higgs, en espera de un análisis adicional. El 14 de marzo de 2013, el CERN anunció finalmente la confirmación de que la partícula observada era de hecho el bosón de Higgs que anteriormente se había predicho.
El 8 de noviembre de 2012, el equipo de LHCb informó sobre un experimento visto como una prueba "esencial" de las teorías de la supersimetría en física, midiendo la rarísima decadencia de un mesón en dos muones. Los resultados, que coinciden con los pronosticados por el Modelo Estándar no supersimétrico (en lugar de las predicciones de muchas ramas de la supersimetría), muestran que las desintegraciones son menos comunes que en algunas formas de predicción de la supersimetría, aunque aún podrían coincidir con las predicciones de otras versiones de la teoría de la supersimetría. Se explica que los resultados, tal como fueron analizados inicialmente, no son suficientes, pero tienen un nivel de significación relativamente alto de hasta 3,5 sigma. El resultado fue confirmado más tarde mediante la colaboración del CMS.
En agosto de 2013, el equipo del LHCb reveló una anomalía en la distribución angular de los productos de descomposición del mesón B que el Modelo estándar no podía predecir. Esta anomalía tenía una certeza estadística de 4,5 sigma, justo por debajo de 5 sigma que era necesario para ser reconocido oficialmente como un descubrimiento. Se desconoce cuál es la causa de esta anomalía, aunque se ha sugerido que el bosón Z' puede ser un posible candidato como origen del mismo.
El 19 de noviembre de 2014, el experimento LHCb anunció el descubrimiento de dos nuevas partículas subatómicas pesadas, Ξ ' - b y Ξ ∗ - b . Ambos son bariones que se componen de tres quarks: un bottom, un down y un strange. Son estados excitados de fondo del conocido como Barión Xi.
La colaboración de LHCb ha observado múltiples hadrones exóticos, posiblemente pentaquarks o tetraquarks entre los datos obtenidos en el desarrollo de la Fase 1. El 4 de abril de 2014, la colaboración confirmó la existencia del candidato al tetraquark Z (4430) con una probabilidad de más de 13,9 sigma. El 13 de julio de 2015, se informaron resultados consistentes con los estados del pentaquark en la descomposición de los bariones Lambda inferiores (Λ 0 b).
El 28 de junio de 2016, se anunció la existencia de cuatro partículas de tipo tetraquark que se descomponen en un mesón J / ψ y φ, solo una de las cuales estaba predicha y bien establecida con anterioridad (X (4274), X (4500) y X (4700) y X (4140) ).
En diciembre de 2016, el detector ATLAS permitió presentar una medición de la masa del bosón W investigando la precisión de los análisis realizados en el Tevatron.
En la conferencia EPS-HEP en julio de 2015, los investigadores presentaron las primeras medidas de sección transversal obtenidas gracias a varias partículas con las energías de colisión más altas conseguidas hasta ese momento.
El 15 de diciembre de 2015, los experimentos ATLAS y CMS informaron de una serie de resultados preliminares para búsquedas concretas de física elemental de partículas, supersimetría (SUSY) de Higgs y búsquedas exóticas utilizando datos de colisión de protones de 13 TeV. Ambos experimentos vieron un exceso moderado alrededor de 750 GeV en el espectro de masa invariante de dos fotones, pero los experimentos no confirmaron la existencia de la partícula hipotética en un informe de agosto de 2016.
En julio de 2017, se mostraron muchos análisis basados en el gran conjunto de datos recopilados en 2016. Las propiedades del bosón de Higgs se estudiaron con más detalle y se mejoró la precisión de muchos otros resultados.
Después de algunos años de operatividad, cualquier experimento de física de partículas generalmente comienza a sufrir rendimientos decrecientes: a medida que los resultados clave que alcanza el dispositivo comienzan a completarse, en los años posteriores de operación se descubren proporcionalmente menos que en los años anteriores. Una solución habitual es actualizar los dispositivos involucrados, aumentando la energía de colisión, en la luminosidad o detectores mejorados. Además de un posible aumento hasta 14 TeV en la energía de colisión. Una actualización de luminosidad del LHC, llamada el Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad, comenzó en junio de 2018 lo cual aumentará el potencial del acelerador para nuevos descubrimientos en física a partir de 2027. La actualización tiene como objetivo aumentar la luminosidad del conjunto en un factor de 10, hasta 1.035 , brindando una mejor oportunidad de ver procesos poco comunes y mejorando las mediciones estadísticamente marginales.
Los experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones despertaron el temor de que las colisiones de partículas pudieran producir fenómenos del día del juicio final, que implican la producción de agujeros negros microscópicos estables o la creación de partículas hipotéticas llamadas extrañas. Dos revisiones de seguridad encargadas por el CERN examinaron estas preocupaciones y concluyeron que los experimentos en el LHC no presentan ningún peligro y que no hay motivos para preocuparse, una conclusión respaldada por la American Physical Society.
Los informes también señalaron que las condiciones físicas y los eventos de colisión que existen en el LHC y experimentos similares ocurren de manera natural y rutinaria en el universo sin consecuencias peligrosas, incluyendo la entrada desde el espacio de rayos cósmicos de ultra alta energía que impactan en la Tierra con energías mucho más altas que los de cualquier colisionador artificial.
Desde que se proyectó el Gran Colisionador Relativista de Iones (RHIC), el estadounidense Walter Wagner y el español Luis Sanchodenunciaron ante un tribunal de Hawái al CERN y al Gobierno de Estados Unidos, afirmando que existe la posibilidad de que su funcionamiento desencadene procesos que, según ellos, serían capaces de provocar la destrucción de la Tierra. Sin embargo su postura es rechazada por la comunidad científica, ya que carece de cualquier respaldo científico que la apoye.
Los procesos catastróficos que denuncian son:
A este respecto, el CERN ha realizado estudios sobre la posibilidad de que se produzcan acontecimientos desastrosos como microagujeros negros inestables, redes, o disfunciones magnéticas. La conclusión de estos estudios es que "no se encuentran bases fundadas que conduzcan a estas amenazas".
Resumiendo:
Estos argumentos no impidieron que hubiera revueltas e incluso un suicidio por temor al fin del mundo cuando LHC lanzó su primera partícula el 10 de septiembre de 2008.
El Gran Colisionador de Hadrones ha obtenido una considerable atención fuera de la comunidad científica y su progreso es seguido por la mayoría de los medios científicos populares. El LHC también ha inspirado obras de ficción que incluye novelas, series de televisión, videojuegos y películas.
El Gran Hadron Rap de la empleada del CERN Katherine McAlpine superó los 7 millones de visitas en YouTube. La banda Les Horribles Cernettes fue fundada por mujeres del CERN. El nombre fue elegido para tener las mismas iniciales que el LHC.
Las reparaciones más complejas del Mundo de National Geographic Channel de su temporada 2ª (2010), Episodio 6 'Atom Smasher' cuenta la sustitución de la última sección de imanes superconductores en la reparación del colisionador de enfriamiento después del incidente de 2008. El episodio incluye imágenes reales desde la instalación de reparación hasta el interior del colisionador y explicaciones de la función, la ingeniería y el propósito del LHC.
El Gran Colisionador de Hadrones fue el centro de atención de la película estudiantil Decay de 2012, la cual se filmó en los túneles de mantenimiento del CERN.
El largometraje documental Particle Fever sigue a los físicos experimentales del CERN que realizan los experimentos, así como a los físicos teóricos que intentan proporcionar un marco conceptual para los resultados del LHC. Ganó el Sheffield International Doc/Festival en 2013.
La novela Ángeles y demonios, de Dan Brown, trata sobre la antimateria creada en el LHC para ser utilizada en un arma contra el Vaticano. En respuesta, el CERN publicó ¿Realidad o ficción? página que discute la precisión de la representación del libro respecto al LHC, al CERN y a la física de partículas en general. La versión cinematográfica del libro tiene imágenes filmadas en el lugar del colisionador durante uno de los experimentos en el LHC. El director, Ron Howard, se reunió con expertos del CERN en un esfuerzo por hacer que la ciencia en la historia de la película sea lo más precisa posible.
En la serie de novelas visuales / manga / anime Steins;Gate, SERN (un error ortográfico deliberado del CERN) se habla de una organización que utiliza los agujeros negros en miniatura creados a partir de experimentos en el LHC para experimentar viajes en el tiempo y dominar el mundo. También participa en la vigilancia masiva a través del proyecto "ECHELON" y tiene conexión con muchos grupos de mercenarios en todo el mundo para evitar la creación enemigas de otras máquinas del tiempo.
La novela FlashForward, de Robert J. Sawyer, implica la búsqueda del bosón de Higgs en el LHC. El CERN publicó una página de "Ciencia y Ficción" entrevistando a Sawyer y físicos sobre el libro y en la serie de televisión basada en éste.