Большой адронный коллайдер (БАК) — самый мощный в мире ускоритель частиц. Большой адронный коллайдер (БАК) был построен Европейской организацией ядерных исследований (ЦЕРН) в том же 27-километровом (17-мильном) туннеле, где располагался ее Большой электронно-позитронный коллайдер (LEP). Туннель имеет круглую форму и расположен на глубине 50-175 метров (165-575 футов) под землей на границе Франции и Швейцарии. БАК провел первую тестовую операцию 10 сентября 2008 года. Неполадки в системе охлаждения 18 сентября привели к повышению температуры магнитов примерно на 100 °C (180 °F), которые должны работать при температуре, близкой к абсолютному нулю (-273,15 °C, ил и-459,67 °F). Ранние оценки того, что БАК удастся быстро починить, оказались слишком оптимистичными. Он был перезапущен 20 ноября 2009 года. Вскоре после этого, 30 ноября, он вытеснил Теватрон Национальной ускорительной лаборатории Ферми с позиции самого мощного ускорителя частиц, разогнав протоны до энергии 1,18 тераэлектронвольт (ТэВ; 1 × 1012 электронвольт). В марте 2010 года ученые ЦЕРН объявили, что проблема с конструкцией сверхпроводящего провода в БАКе требует, чтобы коллайдер работал только на половинной энергии (7 ТэВ). БАК был остановлен в феврале 2013 года для устранения проблемы и перезапущен в апреле 2015 года для работы на полной энергии 13 ТэВ. Вторая длительная остановка, во время которой будет проведена модернизация оборудования БАКа, началась в декабре 2018 года и закончится в июле 2022 года.
Сердце БАК — кольцо, проходящее по окружности туннеля LEP; диаметр кольца составляет всего несколько сантиметров, оно эвакуировано в более высокой степени, чем глубокий космос, и охлаждено в пределах двух градусов от абсолютного нуля. В этом кольце два встречных пучка тяжелых ионов или протонов ускоряются до скоростей, составляющих одну миллионную долю процента от скорости света. (Протоны относятся к категории тяжелых субатомных частиц, известных как адроны, что объясняет название этого ускорителя частиц). В четырех точках кольца пучки могут пересекаться, и небольшая часть частиц врезается друг в друга. При максимальной мощности столкновения между протонами будут происходить при суммарной энергии до 13 ТэВ, что примерно в семь раз больше, чем было достигнуто ранее. В каждой точке столкновения находятся огромные магниты весом в десятки тысяч тонн и банки детекторов для сбора частиц, образующихся в результате столкновений.
Реализация проекта заняла четверть века: планирование началось в 1984 году, а окончательное разрешение было получено в 1994-м. Тысячи ученых и инженеров из десятков стран участвовали в проектировании, планировании и строительстве БАК, а стоимость материалов и рабочей силы составила около 5 миллиардов долларов; сюда не входят расходы на проведение экспериментов и компьютеры.
Одна из целей проекта LHC — понять фундаментальную структуру материи, воссоздав экстремальные условия, которые возникли в первые мгновения существования Вселенной согласно модели большого взрыва. На протяжении десятилетий физики использовали так называемую стандартную модель для фундаментальных частиц, которая хорошо работала, но имела недостатки. Во-первых, и это самое главное, она не объясняет, почему некоторые частицы обладают массой. В 1960-х годах британский физик Питер Хиггс предположил наличие частицы, которая взаимодействовала с другими частицами в начале времен и придавала им массу. Бозон Хиггса никогда не наблюдался — он должен был возникать только при столкновениях в диапазоне энергий, недоступном для экспериментов до БАК. После года наблюдений за столкновениями на БАКе ученые в 2012 году объявили, что обнаружили интересный сигнал, который, вероятно, принадлежит бозону Хиггса с массой около 126 гигаэлектронвольт (миллиард электронвольт). Дальнейшие данные окончательно подтвердили, что эти наблюдения относятся к бозону Хиггса. Во-вторых, стандартная модель требует некоторых произвольных предположений, которые, по мнению некоторых физиков, могут быть решены путем постулирования еще одного класса суперсимметричных частиц; они могут быть получены при экстремальных энергиях БАК. Наконец, изучение асимметрии между частицами и их античастицами может дать ключ к разгадке другой тайны: дисбаланса между материей и антиматерией во Вселенной.
