The nine experiments of the Large Hadron Collider (English)
Explore the invisible machine
The Large Hadron Collider (LHC) at CERN is a 27-kilometre superconducting particle accelerator on the French–Swiss border. Two proton beams travel in opposite directions at 99.9999991% the speed of light and cross inside nine experiments. Each experiment asks a different question about the building blocks of matter.
ATLAS — The Giant Eye Beneath the Ground
ATLAS does not look out into space. It looks inward, into the smallest structures of matter.
Deep below the surface, at one of the four collision points of the Large Hadron Collider, stands one of the largest scientific instruments ever built. When two proton beams collide at nearly the speed of light, the energy of that collision can briefly transform into new particles. Many exist for only a tiny fraction of a second before vanishing.
ATLAS works by surrounding the collision point with many layers of detectors. Each layer records a different kind of trace: the path of charged particles, bursts of energy, or particles that pass through almost everything. From these traces, physicists reconstruct what happened inside the collision.
That is why ATLAS feels like a giant eye. It does not see particles directly. It sees the evidence they leave behind.
ATLAS is a general-purpose detector. It helped discover the Higgs boson in 2012, studies known particles in extreme detail, and searches for signs of physics that may go beyond what we already understand.
- Role
- general-purpose
- Location
- Point 1
- Size
- 46 m · 25 m
- Tier
- Main experiment
ATLAS helps scientists turn invisible particle collisions into measurable evidence.
What can we learn from something that disappears almost instantly?
ATLAS records the traces left behind after a collision. The particles themselves may vanish in fractions of a second, but their paths, energy deposits and decay products remain measurable. From these clues, scientists reconstruct what happened at the collision point.
ALICE — A Tiny Drop of the Early Universe
ALICE recreates, for an instant, the kind of matter that filled the universe just after the Big Bang.
Most of the matter around us is made of atoms. Inside atoms are nuclei; inside nuclei are protons and neutrons; inside those are quarks and gluons. Normally, quarks are locked inside particles, and we never see them moving around by themselves.
ALICE studies what happens when heavy atomic nuclei, such as lead ions, collide at enormous energies. These collisions create temperatures so high that matter enters a special state called quark–gluon plasma. In this state, quarks and gluons are no longer confined in the usual way.
This is not ordinary matter. It is closer to the kind of matter that may have existed just after the Big Bang, when the universe was extremely hot and dense.
That makes ALICE one of the most poetic experiments at the LHC. It uses a modern machine, deep underground, to investigate the earliest moments of the universe.
- Role
- heavy-ion
- Location
- Point 2
- Size
- 26 m · 16 m
- Tier
- Main experiment
ALICE recreates tiny droplets of extreme matter to study the early universe.
What happens to matter when it becomes unimaginably hot?
At extreme temperatures, matter can enter a state called quark–gluon plasma. In this state, quarks and gluons are no longer locked inside ordinary particles in the usual way. ALICE studies this state to understand matter as it may have existed shortly after the Big Bang.
CMS — The Compact Powerhouse
If ATLAS is a witness, CMS is a second witness, confirming the same events with completely different instruments.
CMS stands for Compact Muon Solenoid. "Compact" means smaller than ATLAS but extremely dense. "Muon" is a particle CMS is especially good at detecting. "Solenoid" is the enormous magnet at the heart of the detector.
CMS investigates many of the same big questions as ATLAS: the Higgs boson, the behaviour of known particles, possible signs of new physics. But it does so with a very different detector design, and that difference matters.
In science, a result becomes much stronger when it can be confirmed independently. ATLAS and CMS are two different witnesses observing the same kind of event with different instruments. When both agree, scientists can be more confident the pattern is real.
The powerful magnetic field of CMS bends the paths of charged particles. By measuring how much each particle bends, scientists estimate its momentum. The detector becomes a precise particle measurement machine.
- Role
- general-purpose
- Location
- Point 5
- Size
- 21 m · 15 m
- Tier
- Main experiment
CMS helps confirm and measure particle events with extraordinary precision.
How do scientists know a discovery is real?
A discovery becomes stronger when different experiments see compatible evidence. CMS and ATLAS use different detector designs to study similar questions. If both observe the same pattern independently, scientists can be more confident that the effect is real.
LHCb — The Mystery of Matter and Antimatter
We are here, galaxies exist, matter survived. LHCb is trying to understand why.
According to our best understanding, the early universe should have created matter and antimatter in nearly equal amounts. Matter and antimatter are mirror partners: when they meet, they can annihilate each other. If exactly equal amounts had been created, almost everything might have disappeared into energy.
But that is not what happened. We are here. Galaxies exist. Matter survived.
LHCb studies tiny differences between the behaviour of matter and antimatter. These differences are subtle, not dramatic explosions but small imbalances hidden in the way certain particles decay.
It focuses especially on particles containing beauty quarks (b quarks). By measuring their decays with extreme precision, scientists look for patterns that may explain why matter gained an advantage over antimatter.
Unlike ATLAS and CMS, LHCb is not shaped like a huge barrel around the collision point. It is more like a forward-looking detector, studying particles that fly mainly in one direction.
- Role
- asymmetric
- Location
- Point 8
- Size
- 21 m · 10 m
- Tier
- Main experiment
LHCb studies tiny matter–antimatter differences that may explain why anything exists at all.
Why did matter survive?
Matter and antimatter should have been created in nearly equal amounts. But the universe today is mostly matter. LHCb studies tiny differences between matter and antimatter behaviour that may help explain why matter gained a small advantage.
LHCf — Listening to Particles from Space
Not all particle physics begins underground. Some of it begins in the sky.
Every day, extremely energetic particles from the cosmos hit Earth's atmosphere. These cosmic rays collide with atoms high above us and create showers of secondary particles that rain down toward the surface.
Cosmic rays are difficult to study. We cannot easily control when they arrive, where they come from, or exactly what they hit. LHCf helps with this problem.
At the LHC, scientists can create high-energy collisions under controlled conditions. LHCf studies particles that fly very close to the direction of the beam after a collision, the same kinematic region as cosmic-ray air showers. These measurements improve our understanding of what happens when cosmic rays strike the atmosphere.
LHCf is a bridge between two worlds: the controlled environment of a collider, and the wild, high-energy particle events happening in the sky.
- Role
- cosmic-ray bridge
- Location
- Point 1 forward
- Size
- ±140 m from ATLAS
- Tier
- Advanced experiment
LHCf uses LHC collisions to help understand cosmic rays from space.
How can an underground collider help us understand particles from space?
Cosmic rays collide with particles in Earth's atmosphere and create showers of secondary particles. LHCf studies similar high-energy collision processes at the LHC, where conditions are controlled and measurable. This helps improve models of cosmic-ray behaviour.
TOTEM — The Science of Almost Nothing Happening
Sometimes the most interesting collisions are the quietest ones.
When people imagine particle collisions, they often picture a violent crash: particles smashing together and exploding into fragments. But sometimes the most interesting events are quieter.
TOTEM studies protons that pass very close to each other and scatter at extremely small angles. These protons do not fly dramatically outward. They continue almost straight ahead, only slightly deflected.
That tiny deflection carries important information. TOTEM helps scientists study how protons interact, how large they appear at high energies, and what happens in the very forward regions of a collision. It focuses on measurements that are difficult for the large central detectors to make.
That is the beauty of TOTEM: it shows that physics is not always about spectacular events. Sometimes it is about measuring something so small that it almost looks like nothing happened.
- Role
- elastic scattering
- Location
- Point 5 forward
- Size
- Roman Pots ±220 m
- Tier
- Advanced experiment
TOTEM studies tiny proton deflections to understand proton interactions at high energy.
What can we learn when almost nothing seems to happen?
TOTEM studies protons that are only slightly deflected after passing near each other. These tiny scattering angles reveal information about how protons interact at high energy. Sometimes the smallest deviation carries the most precise information.
MoEDAL-MAPP — Waiting for the Impossible Track
MoEDAL-MAPP is a patient trap for particles that may not exist at all.
Most detectors at the LHC are built to record enormous numbers of events very quickly. They collect data, filter it, and search for patterns. MoEDAL-MAPP has a different personality.
It searches for unusual, highly distinctive signs of new physics. One of its famous targets is the hypothetical magnetic monopole. Every magnet we know has two poles, north and south. Cut a magnet in half and you get two smaller magnets, each with both poles. A magnetic monopole would be a particle with only one pole. None has ever been confirmed.
MoEDAL-MAPP is like a patient trap for rare and strange particles. Instead of only watching fast streams of ordinary events, it looks for unusual traces that would be hard to mistake for anything else.
This experiment teaches that science also means looking carefully for things that may not exist, and being honest when they have not yet been found.
- Role
- exotic search
- Location
- Point 8 cavern
- Size
- passive panels
- Tier
- Advanced experiment
MoEDAL-MAPP searches for rare, exotic signs of new physics.
How do you search for something no one has ever seen?
MoEDAL-MAPP looks for rare, unusual traces that would be difficult to confuse with ordinary particle events. It is designed to search for exotic possibilities, such as hypothetical magnetic monopoles, while being careful not to claim discovery before evidence exists.
FASER — Following the Hidden Direction
Not every discovery is found where the explosion is brightest.
When a collision happens inside a big detector like ATLAS, many particles fly outward. The large detectors are built to surround the collision point and capture as much as possible. But what if some interesting particles do not fly outward? What if they travel forward, almost exactly along the beamline?
FASER was designed for that hidden direction. It looks for light, weakly interacting particles that may be produced in LHC collisions and then travel far forward before decaying. It also studies high-energy neutrinos produced at the LHC.
FASER is not placed around the main collision like ATLAS or CMS. It sits far downstream, watching a narrow path that other detectors are not optimised to see.
FASER expands the visitor's mental model of the LHC. The collider is not only a ring with large experiments. It is also an environment where clever smaller detectors can search in overlooked places.
- Role
- forward physics
- Location
- 480 m from ATLAS
- Size
- 1.5 m · TI12 tunnel
- Tier
- Advanced experiment
FASER looks forward along the beamline for particles that may escape the main detectors.
What might we find by looking where others are not looking?
Some particles may travel forward along the beamline instead of flying outward into the large detectors. FASER is placed in this hidden direction to search for weakly interacting particles and study high-energy neutrinos produced at the LHC.
SND@LHC — Catching Ghost Particles
Countless neutrinos pass through your body every second, and you never feel them.
Some particles are hard to detect because they are rare. Others are hard because they barely interact with anything. Neutrinos are like that: tiny, electrically neutral particles that can pass through enormous amounts of matter almost undisturbed.
SND@LHC studies neutrinos produced by collisions at the Large Hadron Collider. This is remarkable, because the LHC is not usually imagined as a neutrino source. People often think of it as a machine for smashing protons. But some collisions also produce neutrinos, and these ghost-like particles travel through matter with very little trace.
A collision happens. Most particles leave obvious tracks. But neutrinos pass quietly through the detector world, almost impossible to catch. Then, rarely, one interacts and creates a visible signal.
That rare signal is the learning moment. SND@LHC teaches that absence of evidence is not always evidence of absence. Some particles are everywhere, but extremely hard to catch.
- Role
- neutrino detection
- Location
- 480 m off-axis from ATLAS
- Size
- TI18 · off-axis
- Tier
- Advanced experiment
SND@LHC detects and studies elusive neutrinos produced at the LHC.
How do you catch a particle that almost never leaves a trace?
Neutrinos pass through matter with very little interaction. SND@LHC waits for the rare moment when a neutrino does interact and creates a detectable signal. The challenge is not that neutrinos are absent. They are simply extremely hard to catch.
Les neuf expériences du Grand collisionneur de hadrons (Français)
Explorer la machine invisible
Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN est un accélérateur supraconducteur de 27 kilomètres situé sous la frontière franco-suisse. Deux faisceaux de protons circulent en sens inverse à 99,9999991 % de la vitesse de la lumière et se croisent à l'intérieur de neuf expériences. Chacune pose une question différente sur les briques élémentaires de la matière.
ATLAS — L'œil géant sous la terre
ATLAS ne regarde pas vers l'espace. Il regarde vers l'intérieur, vers les plus petites structures de la matière.
Sous la surface, à l'un des quatre points de collision du Grand collisionneur de hadrons, se dresse l'un des plus grands instruments scientifiques jamais construits. Lorsque deux faisceaux de protons entrent en collision à une vitesse proche de celle de la lumière, l'énergie libérée peut brièvement se transformer en nouvelles particules. Beaucoup d'entre elles n'existent qu'une infime fraction de seconde avant de disparaître.
ATLAS entoure le point de collision de plusieurs couches de détecteurs. Chaque couche enregistre un type de trace différent : la trajectoire des particules chargées, des dépôts d'énergie, ou encore des particules qui traversent presque toute la matière. À partir de ces traces, les physiciens reconstituent ce qui s'est passé au cœur de la collision.
C'est pourquoi ATLAS ressemble à un œil géant. Il ne voit pas les particules directement. Il observe les preuves qu'elles laissent derrière elles.
ATLAS est un détecteur polyvalent. Il a participé à la découverte du boson de Higgs en 2012, étudie les particules connues avec une précision extrême et cherche des signes de physique qui pourraient dépasser ce que nous comprenons aujourd'hui.
- Rôle
- general-purpose
- Emplacement
- Point 1
- Taille
- 46 m · 25 m
- Niveau
- Expérience principale
ATLAS permet aux scientifiques de transformer des collisions de particules invisibles en preuves mesurables.
Que peut-on apprendre de quelque chose qui disparaît presque instantanément ?
ATLAS enregistre les traces laissées après une collision. Les particules elles-mêmes disparaissent en une fraction de seconde, mais leurs trajectoires, leurs dépôts d'énergie et leurs produits de désintégration restent mesurables. À partir de ces indices, les scientifiques reconstituent ce qui s'est passé au point de collision.
ALICE — Une minuscule goutte de l'univers primordial
ALICE recrée, pour un instant, le type de matière qui emplissait l'univers juste après le Big Bang.
La matière qui nous entoure est essentiellement constituée d'atomes. À l'intérieur des atomes se trouvent des noyaux ; à l'intérieur des noyaux, des protons et des neutrons ; et à l'intérieur de ceux-ci, des quarks et des gluons. Normalement, les quarks sont enfermés à l'intérieur des particules, et nous ne les voyons jamais se déplacer librement.
ALICE étudie ce qui se passe lorsque des noyaux atomiques lourds, comme des ions de plomb, entrent en collision à des énergies énormes. Ces collisions créent des températures si élevées que la matière entre dans un état particulier appelé plasma de quarks et de gluons. Dans cet état, les quarks et les gluons ne sont plus confinés comme à l'ordinaire.
Il ne s'agit pas de matière ordinaire. C'est plutôt le type de matière qui aurait pu exister juste après le Big Bang, lorsque l'univers était extrêmement chaud et dense.
C'est ce qui fait d'ALICE l'une des expériences les plus poétiques du LHC. Elle utilise une machine moderne, profondément enfouie sous terre, pour explorer les tout premiers instants de l'univers.
- Rôle
- heavy-ion
- Emplacement
- Point 2
- Taille
- 26 m · 16 m
- Niveau
- Expérience principale
ALICE recrée de minuscules gouttelettes de matière extrême pour étudier l'univers primordial.
Qu'arrive-t-il à la matière lorsqu'elle devient incroyablement chaude ?
À des températures extrêmes, la matière peut entrer dans un état appelé plasma de quarks et de gluons. Dans cet état, les quarks et les gluons ne sont plus enfermés à l'intérieur des particules ordinaires comme à l'accoutumée. ALICE étudie cet état pour comprendre la matière telle qu'elle a pu exister peu après le Big Bang.
CMS — La centrale compacte
Si ATLAS est un témoin, CMS est un second témoin qui confirme les mêmes événements avec des instruments totalement différents.
CMS signifie Compact Muon Solenoid (solénoïde compact à muons). "Compact" : plus petit qu'ATLAS, mais extrêmement dense. "Muon" : une particule que CMS détecte particulièrement bien. "Solenoid" : l'énorme aimant au cœur du détecteur.
CMS étudie en grande partie les mêmes questions qu'ATLAS : le boson de Higgs, le comportement des particules connues et les signes possibles d'une nouvelle physique. Mais il le fait avec une conception très différente, et cette différence est essentielle.
En science, un résultat devient bien plus solide lorsqu'il peut être confirmé de manière indépendante. ATLAS et CMS sont deux témoins distincts qui observent le même type d'événement avec des instruments différents. Lorsque les deux concordent, les scientifiques peuvent avoir davantage confiance dans la réalité du phénomène.
Le puissant champ magnétique de CMS courbe la trajectoire des particules chargées. En mesurant cette courbure, les scientifiques estiment leur quantité de mouvement. Le détecteur devient une machine à mesurer les particules avec précision.
- Rôle
- general-purpose
- Emplacement
- Point 5
- Taille
- 21 m · 15 m
- Niveau
- Expérience principale
CMS aide à confirmer et à mesurer les événements de particules avec une précision exceptionnelle.
Comment les scientifiques savent-ils qu'une découverte est réelle ?
Une découverte devient plus solide lorsque différentes expériences observent des indices compatibles. CMS et ATLAS utilisent des conceptions différentes pour étudier des questions similaires. Lorsque les deux observent indépendamment le même motif, les scientifiques peuvent avoir davantage confiance dans la réalité de l'effet.
LHCb — Le mystère de la matière et de l'antimatière
Nous sommes là, les galaxies existent, la matière a survécu. LHCb essaie de comprendre pourquoi.
Selon notre meilleure compréhension actuelle, l'univers primordial aurait dû créer matière et antimatière en quantités presque égales. Matière et antimatière sont des partenaires miroirs : lorsqu'elles se rencontrent, elles peuvent s'annihiler. Si elles avaient été créées en quantités exactement égales, presque tout aurait pu disparaître sous forme d'énergie.
Mais ce n'est pas ce qui s'est passé. Nous sommes là. Les galaxies existent. La matière a survécu.
LHCb étudie de minuscules différences entre le comportement de la matière et celui de l'antimatière. Ces différences sont subtiles : pas des explosions spectaculaires, mais de petits déséquilibres cachés dans la façon dont certaines particules se désintègrent.
L'expérience se concentre en particulier sur les particules contenant des quarks beauty (quarks b). En mesurant leurs désintégrations avec une précision extrême, les scientifiques cherchent des motifs susceptibles d'expliquer pourquoi la matière a pris l'avantage sur l'antimatière.
Contrairement à ATLAS et CMS, LHCb n'a pas la forme d'un grand cylindre autour du point de collision. C'est plutôt un détecteur orienté vers l'avant, qui étudie les particules filant principalement dans une seule direction.
- Rôle
- asymmetric
- Emplacement
- Point 8
- Taille
- 21 m · 10 m
- Niveau
- Expérience principale
LHCb étudie de minuscules différences entre matière et antimatière qui pourraient expliquer pourquoi quoi que ce soit existe.
Pourquoi la matière a-t-elle survécu ?
Matière et antimatière auraient dû être créées en quantités presque égales. Pourtant, l'univers actuel est constitué essentiellement de matière. LHCb étudie de minuscules différences entre le comportement de la matière et de l'antimatière qui pourraient expliquer pourquoi la matière a pris un léger avantage.
LHCf — À l'écoute des particules venues de l'espace
Toute la physique des particules ne commence pas sous terre. Une partie commence dans le ciel.
Chaque jour, des particules extrêmement énergétiques venues du cosmos frappent l'atmosphère terrestre. Ces rayons cosmiques entrent en collision avec des atomes très haut au-dessus de nous et créent des gerbes de particules secondaires qui se déversent vers la surface.
Les rayons cosmiques sont difficiles à étudier. Nous ne pouvons pas facilement contrôler quand ils arrivent, d'où ils proviennent, ni exactement ce qu'ils frappent. LHCf contribue à résoudre ce problème.
Au LHC, les scientifiques peuvent créer des collisions de haute énergie dans des conditions contrôlées. LHCf étudie les particules qui filent très près de l'axe du faisceau après une collision, dans la même région cinématique que les gerbes cosmiques. Ces mesures améliorent notre compréhension de ce qui se passe lorsque les rayons cosmiques entrent dans l'atmosphère.
LHCf est un pont entre deux mondes : l'environnement maîtrisé d'un collisionneur, et les événements particulaires sauvages et très énergétiques qui se produisent dans le ciel.
- Rôle
- cosmic-ray bridge
- Emplacement
- Point 1 forward
- Taille
- ±140 m from ATLAS
- Niveau
- Expérience avancée
LHCf utilise les collisions du LHC pour mieux comprendre les rayons cosmiques venus de l'espace.
Comment un collisionneur souterrain peut-il aider à comprendre les particules venues de l'espace ?
Les rayons cosmiques entrent en collision avec des particules de l'atmosphère terrestre et créent des gerbes de particules secondaires. LHCf étudie au LHC des processus de collision similaires à haute énergie, dans des conditions maîtrisées et mesurables. Cela améliore les modèles décrivant le comportement des rayons cosmiques.
TOTEM — La science quand presque rien ne se passe
Parfois, les collisions les plus intéressantes sont les plus discrètes.
Quand on imagine des collisions de particules, on pense souvent à un choc violent : des particules qui se percutent et explosent en fragments. Mais les événements les plus intéressants sont parfois plus discrets.
TOTEM étudie des protons qui passent très près les uns des autres et se diffusent sous des angles extrêmement faibles. Ces protons ne s'envolent pas spectaculairement. Ils continuent presque tout droit, à peine déviés.
Cette petite déviation porte des informations essentielles. TOTEM aide les scientifiques à étudier la manière dont les protons interagissent, leur taille apparente à haute énergie et ce qui se passe dans les régions très en avant d'une collision. L'expérience se concentre sur des mesures difficiles à réaliser pour les grands détecteurs centraux.
C'est là toute la beauté de TOTEM : la physique n'est pas toujours faite d'événements spectaculaires. Elle consiste parfois à mesurer quelque chose de si petit que l'on a presque l'impression qu'il ne s'est rien passé.
- Rôle
- elastic scattering
- Emplacement
- Point 5 forward
- Taille
- Roman Pots ±220 m
- Niveau
- Expérience avancée
TOTEM étudie de minuscules déviations des protons pour comprendre leurs interactions à haute énergie.
Que peut-on apprendre quand il ne semble presque rien se passer ?
TOTEM étudie des protons qui ne sont que légèrement déviés après s'être croisés de très près. Ces minuscules angles de diffusion révèlent des informations sur la manière dont les protons interagissent à haute énergie. Parfois, c'est la plus petite déviation qui porte l'information la plus précise.
MoEDAL-MAPP — En attendant la trace impossible
MoEDAL-MAPP est un piège patient pour des particules qui n'existent peut-être pas du tout.
La plupart des détecteurs du LHC sont conçus pour enregistrer très rapidement d'énormes quantités d'événements. Ils collectent les données, les filtrent et y cherchent des motifs. MoEDAL-MAPP a une autre personnalité.
Il traque des signes inhabituels et très distinctifs d'une nouvelle physique. L'une de ses cibles emblématiques est l'hypothétique monopôle magnétique. Tous les aimants que nous connaissons ont deux pôles, nord et sud. Coupez un aimant en deux et vous obtenez deux aimants plus petits, chacun avec ses deux pôles. Un monopôle magnétique serait une particule avec un seul pôle. Aucun n'a jamais été confirmé.
MoEDAL-MAPP est comme un piège patient pour des particules rares et étranges. Au lieu de surveiller uniquement des flots rapides d'événements ordinaires, il guette des traces inhabituelles, difficiles à confondre avec autre chose.
Cette expérience rappelle que faire de la science, c'est aussi chercher soigneusement des choses qui n'existent peut-être pas, et rester honnête tant qu'elles n'ont pas été trouvées.
- Rôle
- exotic search
- Emplacement
- Point 8 cavern
- Taille
- passive panels
- Niveau
- Expérience avancée
MoEDAL-MAPP cherche des signes rares et exotiques d'une nouvelle physique.
Comment cherche-t-on quelque chose que personne n'a jamais vu ?
MoEDAL-MAPP guette des traces rares et inhabituelles, difficiles à confondre avec des événements de particules ordinaires. L'expérience est conçue pour explorer des possibilités exotiques, comme les hypothétiques monopôles magnétiques, tout en s'interdisant de proclamer une découverte avant d'en avoir la preuve.
FASER — Suivre la direction cachée
Toutes les découvertes ne se font pas là où l'explosion est la plus vive.
Lorsqu'une collision se produit dans un grand détecteur comme ATLAS, de nombreuses particules s'élancent vers l'extérieur. Les grands détecteurs sont conçus pour entourer le point de collision et en capturer le plus possible. Mais que se passe-t-il si certaines particules intéressantes ne s'envolent pas vers l'extérieur ? Si elles filent vers l'avant, presque exactement dans l'axe du faisceau ?
FASER a été conçu pour cette direction cachée. Il guette des particules légères et faiblement interagissantes qui pourraient être produites dans les collisions du LHC, et qui parcourent une longue distance vers l'avant avant de se désintégrer. Il étudie aussi les neutrinos de haute énergie produits au LHC.
FASER n'est pas placé autour de la collision principale comme ATLAS ou CMS. Il se trouve loin en aval, surveillant un couloir étroit que les autres détecteurs ne sont pas optimisés pour voir.
FASER élargit notre image du LHC. Le collisionneur n'est pas seulement un anneau ponctué de grandes expériences. C'est aussi un environnement où des détecteurs plus petits et astucieux peuvent chercher dans des recoins négligés.
- Rôle
- forward physics
- Emplacement
- 480 m from ATLAS
- Taille
- 1.5 m · TI12 tunnel
- Niveau
- Expérience avancée
FASER regarde vers l'avant, dans l'axe du faisceau, pour traquer des particules qui pourraient échapper aux détecteurs principaux.
Que peut-on découvrir en cherchant là où personne ne regarde ?
Certaines particules peuvent filer vers l'avant le long du faisceau, au lieu de s'envoler vers les grands détecteurs. FASER est placé dans cette direction cachée pour traquer des particules faiblement interagissantes et étudier les neutrinos de haute énergie produits au LHC.
SND@LHC — Attraper des particules fantômes
D'innombrables neutrinos traversent votre corps chaque seconde, et vous ne les sentez jamais.
Certaines particules sont difficiles à détecter parce qu'elles sont rares. D'autres parce qu'elles n'interagissent presque pas avec quoi que ce soit. Les neutrinos sont de celles-ci : de minuscules particules électriquement neutres, capables de traverser d'énormes quantités de matière presque sans être perturbées.
SND@LHC étudie les neutrinos produits par les collisions du Grand collisionneur de hadrons. C'est remarquable, car on n'imagine pas habituellement le LHC comme une source de neutrinos. On le voit souvent comme une machine destinée à faire entrer en collision des protons. Mais certaines collisions produisent aussi des neutrinos, ces particules fantômes qui traversent la matière en laissant très peu de traces.
Une collision se produit. La plupart des particules laissent des traces évidentes. Mais les neutrinos traversent silencieusement le détecteur, presque impossibles à attraper. Et puis, rarement, l'un d'eux interagit et crée un signal visible.
Ce signal rare est l'instant d'apprentissage. SND@LHC montre que l'absence de preuve n'est pas toujours la preuve d'une absence. Certaines particules sont partout, mais extrêmement difficiles à attraper.
- Rôle
- neutrino detection
- Emplacement
- 480 m off-axis from ATLAS
- Taille
- TI18 · off-axis
- Niveau
- Expérience avancée
SND@LHC détecte et étudie les insaisissables neutrinos produits au LHC.
Comment attraper une particule qui ne laisse presque jamais de trace ?
Les neutrinos traversent la matière avec très peu d'interactions. SND@LHC attend l'instant rare où un neutrino interagit et produit un signal détectable. Le défi n'est pas que les neutrinos soient absents : ils sont simplement extrêmement difficiles à attraper.
Die neun Experimente des Large Hadron Collider (Deutsch)
Erkunde die unsichtbare Maschine
Der Large Hadron Collider (LHC) am CERN ist ein 27 Kilometer langer supraleitender Teilchenbeschleuniger an der französisch-schweizerischen Grenze. Zwei Protonenstrahlen kreisen mit 99,9999991 % der Lichtgeschwindigkeit gegenläufig und kreuzen sich in neun Experimenten. Jedes Experiment stellt eine andere Frage nach den Bausteinen der Materie.
ATLAS — Das große Auge unter der Erde
ATLAS blickt nicht in den Weltraum hinaus. Er blickt nach innen, in die kleinsten Strukturen der Materie.
Tief unter der Oberfläche, an einem der vier Kollisionspunkte des Large Hadron Collider, steht eines der größten wissenschaftlichen Instrumente, die je gebaut wurden. Wenn zwei Protonenstrahlen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit zusammenstoßen, kann sich die Energie dieser Kollision kurzzeitig in neue Teilchen verwandeln. Viele bestehen nur den Bruchteil einer Sekunde, bevor sie wieder verschwinden.
ATLAS umgibt den Kollisionspunkt mit vielen Schichten von Detektoren. Jede Schicht zeichnet eine andere Art von Spur auf: die Bahn geladener Teilchen, Energiedepots oder Teilchen, die fast alles durchdringen. Aus diesen Spuren rekonstruieren Physikerinnen und Physiker, was in der Kollision geschehen ist.
Deshalb wirkt ATLAS wie ein großes Auge. Er sieht die Teilchen nicht direkt. Er sieht die Spuren, die sie hinterlassen.
ATLAS ist ein Allzweck-Detektor. Er half 2012 bei der Entdeckung des Higgs-Bosons, untersucht bekannte Teilchen mit höchster Präzision und sucht nach Hinweisen auf eine Physik jenseits unseres heutigen Verständnisses.
- Rolle
- general-purpose
- Standort
- Point 1
- Größe
- 46 m · 25 m
- Stufe
- Hauptexperiment
ATLAS verwandelt unsichtbare Teilchenkollisionen in messbare Belege.
Was können wir aus etwas lernen, das fast augenblicklich verschwindet?
ATLAS zeichnet die Spuren auf, die nach einer Kollision zurückbleiben. Die Teilchen selbst vergehen in Sekundenbruchteilen, doch ihre Bahnen, Energiedepots und Zerfallsprodukte bleiben messbar. Aus diesen Hinweisen rekonstruieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, was am Kollisionspunkt geschah.
ALICE — Ein winziger Tropfen des frühen Universums
ALICE erschafft für einen Augenblick jene Art von Materie neu, die das Universum kurz nach dem Urknall erfüllte.
Die meiste Materie um uns herum besteht aus Atomen. In den Atomen befinden sich Kerne; in den Kernen Protonen und Neutronen; und darin Quarks und Gluonen. Normalerweise sind die Quarks in Teilchen eingeschlossen, und wir sehen sie nie frei umherbewegen.
ALICE untersucht, was geschieht, wenn schwere Atomkerne wie Bleiionen mit gewaltigen Energien zusammenstoßen. Bei diesen Kollisionen entstehen Temperaturen, die so hoch sind, dass die Materie in einen besonderen Zustand übergeht: das Quark-Gluon-Plasma. In diesem Zustand sind Quarks und Gluonen nicht mehr auf gewohnte Weise eingeschlossen.
Das ist keine gewöhnliche Materie. Sie ähnelt vielmehr der Materie, die kurz nach dem Urknall existiert haben könnte, als das Universum extrem heiß und dicht war.
Damit ist ALICE eines der poetischsten Experimente am LHC. Mit einer modernen Maschine tief unter der Erde erforscht es die frühesten Augenblicke des Universums.
- Rolle
- heavy-ion
- Standort
- Point 2
- Größe
- 26 m · 16 m
- Stufe
- Hauptexperiment
ALICE erschafft winzige Tropfen extremer Materie, um das frühe Universum zu erforschen.
Was geschieht mit Materie, wenn sie unvorstellbar heiß wird?
Bei extremen Temperaturen kann Materie in einen Zustand übergehen, der Quark-Gluon-Plasma heißt. In diesem Zustand sind Quarks und Gluonen nicht mehr wie üblich in gewöhnlichen Teilchen eingeschlossen. ALICE untersucht diesen Zustand, um die Materie so zu verstehen, wie sie kurz nach dem Urknall ausgesehen haben könnte.
CMS — Das kompakte Kraftwerk
Wenn ATLAS ein Zeuge ist, dann ist CMS ein zweiter Zeuge, der dieselben Ereignisse mit völlig anderen Instrumenten bestätigt.
CMS steht für Compact Muon Solenoid. "Compact": kleiner als ATLAS, aber extrem dicht. "Muon": ein Teilchen, das CMS besonders gut nachweist. "Solenoid": der riesige Magnet im Herzen des Detektors.
CMS untersucht weitgehend dieselben großen Fragen wie ATLAS: das Higgs-Boson, das Verhalten bekannter Teilchen und mögliche Hinweise auf neue Physik. Es tut dies jedoch mit einem ganz anderen Detektoraufbau, und dieser Unterschied ist entscheidend.
In der Wissenschaft wird ein Ergebnis deutlich stärker, wenn es unabhängig bestätigt werden kann. ATLAS und CMS sind zwei unterschiedliche Zeugen, die dieselbe Art von Ereignis mit verschiedenen Instrumenten beobachten. Stimmen beide überein, können die Forschenden sicherer sein, dass das Muster real ist.
Das starke Magnetfeld von CMS krümmt die Bahnen geladener Teilchen. Aus der Krümmung lässt sich der Impuls eines jeden Teilchens ableiten. So wird der Detektor zu einer präzisen Messmaschine für Teilchen.
- Rolle
- general-purpose
- Standort
- Point 5
- Größe
- 21 m · 15 m
- Stufe
- Hauptexperiment
CMS bestätigt und vermisst Teilchenereignisse mit außergewöhnlicher Präzision.
Woher wissen Wissenschaftler, dass eine Entdeckung echt ist?
Eine Entdeckung wird stärker, wenn verschiedene Experimente vergleichbare Hinweise liefern. CMS und ATLAS verwenden unterschiedliche Detektoren, um ähnliche Fragen zu untersuchen. Beobachten beide unabhängig voneinander dasselbe Muster, können die Forschenden sicherer sein, dass der Effekt real ist.
LHCb — Das Rätsel von Materie und Antimaterie
Wir sind hier, es gibt Galaxien, die Materie hat überlebt. LHCb sucht nach dem Warum.
Nach unserem besten Verständnis sollte das frühe Universum nahezu gleich viel Materie und Antimaterie hervorgebracht haben. Materie und Antimaterie sind Spiegelpartner: Wenn sie aufeinandertreffen, können sie sich gegenseitig auslöschen. Wären beide in exakt gleicher Menge entstanden, hätte sich fast alles in Energie aufgelöst.
Doch genau das ist nicht geschehen. Wir sind hier. Es gibt Galaxien. Die Materie hat überlebt.
LHCb untersucht winzige Unterschiede im Verhalten von Materie und Antimaterie. Diese Unterschiede sind subtil: keine spektakulären Explosionen, sondern kleine Ungleichgewichte, verborgen darin, wie bestimmte Teilchen zerfallen.
Das Experiment richtet seinen Blick besonders auf Teilchen mit Beauty-Quarks (b-Quarks). Indem es deren Zerfälle mit höchster Präzision vermisst, suchen die Forschenden nach Mustern, die erklären könnten, warum die Materie einen Vorteil gegenüber der Antimaterie hatte.
Anders als ATLAS und CMS umschließt LHCb den Kollisionspunkt nicht wie ein großes Fass. Er ist eher ein nach vorne gerichteter Detektor, der Teilchen untersucht, die hauptsächlich in eine Richtung fliegen.
- Rolle
- asymmetric
- Standort
- Point 8
- Größe
- 21 m · 10 m
- Stufe
- Hauptexperiment
LHCb erforscht winzige Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie, die erklären könnten, warum überhaupt etwas existiert.
Warum hat die Materie überlebt?
Materie und Antimaterie sollten in nahezu gleichen Mengen entstanden sein. Doch das heutige Universum besteht überwiegend aus Materie. LHCb untersucht winzige Verhaltensunterschiede zwischen Materie und Antimaterie, die helfen könnten zu erklären, warum die Materie einen kleinen Vorsprung gewann.
LHCf — Den Teilchen aus dem All zuhören
Nicht alle Teilchenphysik beginnt unter der Erde. Ein Teil davon beginnt am Himmel.
Jeden Tag treffen extrem energiereiche Teilchen aus dem Kosmos auf die Erdatmosphäre. Diese kosmischen Strahlen kollidieren hoch über uns mit Atomen und erzeugen Schauer aus Sekundärteilchen, die zur Oberfläche herabregnen.
Kosmische Strahlen sind schwer zu untersuchen. Wir können kaum kontrollieren, wann sie eintreffen, woher sie stammen oder worauf genau sie treffen. LHCf hilft bei dieser Aufgabe.
Am LHC können hochenergetische Kollisionen unter kontrollierten Bedingungen erzeugt werden. LHCf untersucht Teilchen, die nach einer Kollision sehr nah an der Strahlachse fliegen, im selben kinematischen Bereich wie kosmische Luftschauer. Diese Messungen verbessern unser Verständnis dessen, was beim Auftreffen kosmischer Strahlen auf die Atmosphäre geschieht.
LHCf ist eine Brücke zwischen zwei Welten: der kontrollierten Umgebung eines Beschleunigers und den wilden, hochenergetischen Teilchenereignissen am Himmel.
- Rolle
- cosmic-ray bridge
- Standort
- Point 1 forward
- Größe
- ±140 m from ATLAS
- Stufe
- Erweitertes Experiment
LHCf nutzt LHC-Kollisionen, um kosmische Strahlen aus dem All besser zu verstehen.
Wie kann ein unterirdischer Beschleuniger uns helfen, Teilchen aus dem All zu verstehen?
Kosmische Strahlen treffen in der Erdatmosphäre auf Teilchen und erzeugen Schauer aus Sekundärteilchen. LHCf untersucht am LHC ähnliche hochenergetische Kollisionsprozesse unter kontrollierten, messbaren Bedingungen. Das verbessert die Modelle, die kosmische Strahlung beschreiben.
TOTEM — Die Wissenschaft, wenn fast nichts geschieht
Manchmal sind die interessantesten Kollisionen die leisesten.
Wer sich Teilchenkollisionen vorstellt, denkt oft an einen heftigen Zusammenstoß: Teilchen prallen aufeinander und zerbersten in Bruchstücke. Doch manchmal sind die spannendsten Ereignisse die unauffälligsten.
TOTEM untersucht Protonen, die sich sehr nah aneinander vorbeibewegen und unter extrem kleinen Winkeln gestreut werden. Diese Protonen fliegen nicht spektakulär nach außen. Sie laufen fast geradeaus weiter und werden nur leicht abgelenkt.
Diese winzige Ablenkung enthält wichtige Informationen. TOTEM hilft, zu untersuchen, wie Protonen wechselwirken, wie groß sie bei hohen Energien erscheinen und was in den weit vorwärts gerichteten Bereichen einer Kollision geschieht. Das Experiment konzentriert sich auf Messungen, die für die großen Zentraldetektoren schwer zu erfassen sind.
Genau das ist das Schöne an TOTEM: Physik handelt nicht immer von spektakulären Ereignissen. Manchmal misst sie etwas so Kleines, dass es fast so aussieht, als wäre gar nichts geschehen.
- Rolle
- elastic scattering
- Standort
- Point 5 forward
- Größe
- Roman Pots ±220 m
- Stufe
- Erweitertes Experiment
TOTEM untersucht winzige Protonenablenkungen, um Protonen-Wechselwirkungen bei hoher Energie zu verstehen.
Was lässt sich lernen, wenn scheinbar fast nichts geschieht?
TOTEM untersucht Protonen, die nach einer engen Begegnung nur leicht abgelenkt werden. Diese winzigen Streuwinkel geben Aufschluss darüber, wie Protonen bei hoher Energie wechselwirken. Manchmal trägt gerade die kleinste Abweichung die genaueste Information.
MoEDAL-MAPP — Auf die unmögliche Spur warten
MoEDAL-MAPP ist eine geduldige Falle für Teilchen, die es vielleicht gar nicht gibt.
Die meisten Detektoren am LHC sind darauf ausgelegt, riesige Mengen an Ereignissen in kurzer Zeit aufzuzeichnen. Sie sammeln Daten, filtern sie und suchen nach Mustern. MoEDAL-MAPP hat einen anderen Charakter.
Das Experiment fahndet nach ungewöhnlichen, sehr markanten Hinweisen auf neue Physik. Eines seiner berühmten Ziele ist der hypothetische magnetische Monopol. Alle uns bekannten Magnete haben zwei Pole, Nord und Süd. Schneidet man einen Magneten entzwei, erhält man zwei kleinere Magnete mit jeweils beiden Polen. Ein magnetischer Monopol wäre ein Teilchen mit nur einem Pol. Bestätigt wurde bislang keiner.
MoEDAL-MAPP ist eine geduldige Falle für seltene und seltsame Teilchen. Statt nur schnelle Ströme gewöhnlicher Ereignisse zu beobachten, achtet das Experiment auf ungewöhnliche Spuren, die kaum mit etwas anderem zu verwechseln sind.
Das Experiment zeigt: Wissenschaft heißt auch, sorgfältig nach Dingen zu suchen, die vielleicht gar nicht existieren, und ehrlich zu bleiben, solange sie nicht gefunden wurden.
- Rolle
- exotic search
- Standort
- Point 8 cavern
- Größe
- passive panels
- Stufe
- Erweitertes Experiment
MoEDAL-MAPP sucht nach seltenen, exotischen Hinweisen auf neue Physik.
Wie sucht man nach etwas, das noch nie jemand gesehen hat?
MoEDAL-MAPP fahndet nach seltenen, ungewöhnlichen Spuren, die mit gewöhnlichen Teilchenereignissen kaum zu verwechseln sind. Es ist darauf ausgelegt, exotische Möglichkeiten wie hypothetische magnetische Monopole zu untersuchen, ohne eine Entdeckung zu beanspruchen, bevor Belege vorliegen.
FASER — Der verborgenen Richtung folgen
Nicht jede Entdeckung gelingt dort, wo die Explosion am hellsten leuchtet.
Wenn eine Kollision in einem großen Detektor wie ATLAS stattfindet, fliegen viele Teilchen nach außen. Die großen Detektoren sind so gebaut, dass sie den Kollisionspunkt umschließen und möglichst viel auffangen. Doch was, wenn einige interessante Teilchen nicht nach außen fliegen? Wenn sie nach vorne reisen, fast genau entlang der Strahlachse?
FASER wurde für diese verborgene Richtung entworfen. Er sucht nach leichten, schwach wechselwirkenden Teilchen, die in LHC-Kollisionen entstehen und weit nach vorne fliegen können, bevor sie zerfallen. Außerdem untersucht er hochenergetische Neutrinos, die am LHC erzeugt werden.
FASER liegt nicht wie ATLAS oder CMS rund um die Hauptkollision. Er steht weit hinter dem Kollisionspunkt und beobachtet einen schmalen Pfad, für den andere Detektoren nicht optimiert sind.
FASER erweitert das mentale Bild des LHC. Der Beschleuniger ist nicht nur ein Ring mit großen Experimenten. Er ist auch ein Ort, an dem kluge kleinere Detektoren in übersehenen Bereichen suchen können.
- Rolle
- forward physics
- Standort
- 480 m from ATLAS
- Größe
- 1.5 m · TI12 tunnel
- Stufe
- Erweitertes Experiment
FASER blickt entlang der Strahlachse nach vorn, um Teilchen zu finden, die den Hauptdetektoren entgehen könnten.
Was kann man finden, wenn man dort sucht, wo niemand sonst hinsieht?
Manche Teilchen fliegen entlang der Strahlachse nach vorne statt nach außen in die großen Detektoren. FASER sitzt in dieser verborgenen Richtung und sucht nach schwach wechselwirkenden Teilchen sowie nach hochenergetischen Neutrinos, die am LHC entstehen.
SND@LHC — Geisterteilchen einfangen
Unzählige Neutrinos durchqueren jede Sekunde Ihren Körper, und Sie spüren sie nie.
Manche Teilchen sind schwer nachzuweisen, weil sie selten sind. Andere, weil sie kaum mit irgendetwas wechselwirken. Neutrinos gehören zur zweiten Gruppe: winzige, elektrisch neutrale Teilchen, die riesige Materiemengen nahezu ungestört durchdringen können.
SND@LHC untersucht Neutrinos, die bei Kollisionen am Large Hadron Collider entstehen. Das ist bemerkenswert, denn man stellt sich den LHC üblicherweise nicht als Neutrinoquelle vor. Oft wird er als Maschine zum Zerschmettern von Protonen gesehen. Doch manche Kollisionen erzeugen auch Neutrinos, und diese geisterhaften Teilchen ziehen mit kaum sichtbaren Spuren durch die Materie.
Eine Kollision ereignet sich. Die meisten Teilchen hinterlassen deutliche Spuren. Neutrinos hingegen gleiten lautlos durch die Detektorwelt, kaum einzufangen. Nur selten wechselwirkt eines von ihnen und erzeugt ein sichtbares Signal.
Dieses seltene Signal ist der Lehrmoment. SND@LHC zeigt: Das Fehlen von Belegen ist nicht immer ein Beleg für das Fehlen. Manche Teilchen sind überall, aber extrem schwer zu fassen.
- Rolle
- neutrino detection
- Standort
- 480 m off-axis from ATLAS
- Größe
- TI18 · off-axis
- Stufe
- Erweitertes Experiment
SND@LHC weist die schwer fassbaren, am LHC erzeugten Neutrinos nach und untersucht sie.
Wie fängt man ein Teilchen, das fast nie eine Spur hinterlässt?
Neutrinos durchdringen Materie fast ohne Wechselwirkung. SND@LHC wartet auf den seltenen Moment, in dem ein Neutrino doch wechselwirkt und ein nachweisbares Signal erzeugt. Die Herausforderung besteht nicht darin, dass Neutrinos fehlen, sondern darin, dass sie extrem schwer zu fangen sind.