Великий адронний колайдер — це 27-кілометрове кільце надпровідних магнітів, розташоване на глибині до 175 метрів під кордоном Франції та Швейцарії поблизу Женеви. У його тунелі два пучки протонів розганяють до енергії 6,8 ТеВ кожен, після чого вони стикаються з сумарною енергією 13,6 ТеВ у системі центру мас. Ці зіткнення відтворюють умови, що існували в перші частки секунди після Великого вибуху, і дозволяють вивчати фундаментальні частинки та сили природи.
За роки роботи колайдер підтвердив існування бозона Хіггса, виконав найточніші вимірювання параметрів Стандартної моделі та встановив жорсткі обмеження на теорії нової фізики. У 2026 році завершилася третя фаза роботи — Run 3, під час якої експерименти зафіксували рекордну кількість даних. Зараз машина входить у тривалу зупинку для модернізації, після якої потужність зросте в рази.
Українські вчені беруть активну участь у аналізі даних та вдосконаленні детекторів як представники асоційованої держави організації, що керує проєктом.
Історія створення та перші запуски
Ідея Великого адронного колайдера виникла на початку 1980-х років як спосіб використати вже наявний тунель попереднього прискорювача LEP. У грудні 1994 року Рада ЦЕРН офіційно затвердила будівництво. Технічний проєкт опублікували у 1995 році, а схвалення експериментів ATLAS, CMS, ALICE та LHCb відбулося протягом 1996–1998 років.
Будівництво та монтаж обладнання тривали з 1998 по 2008 рік. 10 вересня 2008 року перші протони пройшли повне кільце. Через дев’ять днів стався інцидент з перегрівом з’єднання магнітів, що призвів до викиду гелію та пошкодження секції тунелю. Після ремонту та тестування перші зіткнення зафіксували 23 листопада 2009 року при енергії 3,5 ТеВ на пучок. У 2010 році енергія зросла до 7 ТеВ у зіткненнях.
У липні 2012 року колаборації ATLAS та CMS оголосили про відкриття нової частинки з масою близько 125 ГеВ, яка за властивостями відповідала передбаченому бозону Хіггса. Це стало найважливішим результатом фізики елементарних частинок за останні десятиліття. Після тривалої зупинки 2013–2015 років (Long Shutdown 1) енергія зросла до 13 ТеВ, а у 2022 році — до 13,6 ТеВ у Run 3.
Як влаштований і функціонує прискорювач
Частинки проходять кілька етапів прискорення перед потраплянням у головне кільце. Спочатку лінійний прискорювач Linac 4 розганяє протони до 160 МеВ. Далі бустер (PS Booster) підвищує енергію до 2 ГеВ, протонний синхротрон PS — до 26 ГеВ, а супер-протонний синхротрон SPS — до 450 ГеВ. Лише після цього пучки інжектують у Великий адронний колайдер.
У головному кільці протони рухаються у двох паралельних вакуумних трубах у протилежних напрямках. Радіочастотні резонатори (8 на пучок) надають енергію, а 1232 дипольні магніти довжиною 15 м кожен вигинають траєкторію з полем близько 8,3 Тл. 392 квадрупольні магніти (5–7 м) фокусують пучки, а вищі мультиполі коригують дрібні відхилення. Усього в тунелі встановлено 9593 магніти.
Щоб магніти зберігали надпровідність, їх охолоджують до 1,9 К (−271,3 °C) за допомогою надплинного гелію-4 — це найбільша кріогенна система у світі. Вакуум у трубах досягає 10⁻¹⁰–10⁻¹¹ мбар, щоб мінімізувати розсіювання протонів на залишкових молекулах. Пучки формують у згустки (bunch) по приблизно 1,15 × 10¹¹ протонів кожен; у кільці може бути до 2800 таких згустків. Зіткнення відбуваються кожні 25 наносекунд (частота 40 МГц) у чотирьох точках перетину.
Основні детектори та експерименти
Навколо точок зіткнення розташовані чотири великі експериментальні установки. ATLAS — найбільший детектор об’ємом понад 40 метрів у довжину та 25 метрів у діаметрі — фіксує широкий спектр процесів і має високу здатність до ідентифікації частинок. CMS — компактніший, але з дуже сильним магнітним полем (4 Тл) — спеціалізується на точних вимірюваннях енергії та імпульсу.
ALICE вивчає зіткнення важких іонів (свинцю), де утворюється кварк-глюонна плазма — стан матерії, що існував у перші мікросекунди після Великого вибуху. LHCb зосереджений на фізиці b-кварків, CP-порушенні та рідкісних розпадах; саме ця колаборація у червні 2026 року зареєструвала нову екзотичну частинку, що містить один дивний та два чарівні кварки.
Додаткові менші експерименти — LHCf, TOTEM, MoEDAL-MAPP, FASER та SND@LHC — досліджують специфічні явища: прямі частинки, дифракцію, монополі, довгоживучі частинки та нейтрино.
Найважливіші наукові результати
Відкриття бозона Хіггса у 2012 році остаточно підтвердило механізм, що надає масу елементарним частинкам у Стандартній моделі. Подальші вимірювання показали, що його властивості — спін, парність, константи зв’язку — узгоджуються з передбаченнями теорії з точністю до кількох відсотків.
Колайдер виконав найточніші у світі вимірювання мас та ширин W- та Z-бозонів, топ-кварка, констант сильної взаємодії. У важких іонних зіткненнях ALICE детально вивчила властивості кварк-глюонної плазми — її в’язкість, температуру та поведінку струменів.
Пошуки нової фізики — суперсиметрії, додаткових вимірів, темної матерії у вигляді нових частинок — поки не дали прямих сигналів. Натомість експерименти встановили жорсткі нижні межі на маси гіпотетичних частинок та сили нових взаємодій. Це звужує простір для теоретичних моделей і спрямовує подальші дослідження.
У 2026 році Run 3 завершилася з рекордними показниками інтегрованої світності, що перевищили початкові прогнози для всіх чотирьох основних експериментів.
Ключові технічні параметри
| Параметр | Значення | Примітка |
|---|---|---|
| Довжина кільця | 27 км (26 659 м) | Підземний тунель на кордоні Франції та Швейцарії |
| Енергія протонів у пучку | 6,8 ТеВ | Номінал Run 3 |
| Енергія зіткнень протонів | 13,6 ТеВ | У системі центру мас |
| Кількість дипольних магнітів | 1232 | Довжина кожного — 15 м |
| Кількість квадрупольних магнітів | 392 | Для фокусування пучків |
| Температура роботи магнітів | 1,9 К (−271,3 °C) | Надплинний гелій-4 |
| Кількість протонів у згустку | ≈ 1,15 × 10¹¹ | До 2800 згустків на пучок |
| Інтервал між зіткненнями | 25 наносекунд | Частота до 40 МГц |
Джерело: CERN
Майбутнє: перехід до High-Luminosity LHC
Після завершення Run 3 у червні 2026 року розпочалася тривала зупинка Long Shutdown 3. До середини 2030-х років машина перетвориться на High-Luminosity LHC (HL-LHC). Головна мета — збільшити інстантанну світність у 5–10 разів порівняно з поточним рівнем, що дозволить накопичити в рази більше даних за той самий час.
Для цього встановлять нові надпровідні квадрупольні магніти з ніобій-олов’яного сплаву, здатні створювати поле до 12 Тл (замість 8–9 Тл у поточних ніобій-титанових). З’являться «крабові» резонатори, що повертатимуть згустки перед зіткненням для максимального перекриття. Оновлять також системи захисту, вакуум та детектори — ATLAS та CMS отримають нові внутрішні трекери та калориметри, здатні працювати за вищої радіаційної дози.
Очікується, що HL-LHC запустять близько 2030 року і він працюватиме щонайменше десятиліття. Це дасть змогу з точністю до відсотка вивчити властивості бозона Хіггса, перевірити рідкісні розпади та значно розширити чутливість до сигналів нової фізики.
Модернізація дозволить накопичити інтегровану світність, у кілька разів більшу за всю попередню статистику Run 1–3 разом узяту.
Значення для фундаментальної науки
Великий адронний колайдер — це не лише прилад для пошуку нових частинок. Він дає змогу перевіряти Стандартну модель у режимі високої точності, шукати пояснення асиметрії між речовиною та антиречовиною у Всесвіті, природу темної матерії та нейтринних мас. Кожне нове обмеження чи вимірювання звужує простір для альтернативних теорій і спрямовує розвиток квантової теорії поля та космології.
Технологічні рішення, розроблені для колайдера — надпровідні магніти, кріогенні системи, розподілені обчислювальні мережі (Grid), алгоритми обробки великих даних — знаходять застосування в медицині (променева терапія), матеріалознавстві, енергетиці та інформаційних технологіях. Досвід міжнародної співпраці тисяч науковців з десятків країн демонструє, як складні глобальні проєкти можуть об’єднувати зусилля заради спільного пізнання природи.
У 2026 році, коли Run 3 завершилася, а машина готується до глибокої модернізації, Великий адронний колайдер залишається найпотужнішим інструментом людства для дослідження мікросвіту. Наступне десятиліття обіцяє ще більше даних і, можливо, нові несподівані відкриття, які змінять наше розуміння фундаментальних законів Всесвіту.
