LHC Explorer — Inside the Large Hadron Collider's Nine Experiments

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 99.999999% the speed of light and cross at four interaction points. Their collisions feed nine experiments, each asking a different question about the building blocks of matter. The collider is in its third run (Run 3, 2022–present), with a high-luminosity upgrade, the HL-LHC, planned for later this decade.

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: FORWARD SPECTROMETER
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 · UA83 gallery
Size: NTDs + MAPP
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 99,999999 % de la vitesse de la lumière et se croisent en quatre points d'interaction. Leurs collisions alimentent neuf expériences, chacune posant une question différente sur les briques élémentaires de la matière. Le collisionneur en est à sa troisième campagne (Run 3, depuis 2022), avec une mise à niveau à haute luminosité (HL-LHC) prévue plus tard dans la décennie.

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: POLYVALENT
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: IONS LOURDS
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: POLYVALENT
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: SPECTROMÈTRE VERS L'AVANT
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: RAYONS COSMIQUES
Emplacement: Point 1, vers l'avant
Taille: ±140 m d'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: DIFFUSION ÉLASTIQUE
Emplacement: Point 5, vers l'avant
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: RECHERCHE EXOTIQUE
Emplacement: Point 8 · galerie UA83
Taille: NTDs + MAPP
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: PHYSIQUE VERS L'AVANT
Emplacement: 480 m d'ATLAS
Taille: 1,5 m · tunnel TI12
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: DÉTECTION DE NEUTRINOS
Emplacement: 480 m hors axe d'ATLAS
Taille: TI18 · hors axe
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 99,999999 % der Lichtgeschwindigkeit gegenläufig und kreuzen sich an vier Wechselwirkungspunkten. Ihre Kollisionen speisen neun Experimente, von denen jedes eine andere Frage nach den Bausteinen der Materie stellt. Der Beschleuniger befindet sich in seinem dritten Lauf (Run 3, seit 2022); ein Hochluminositäts-Upgrade (HL-LHC) ist für später in diesem Jahrzehnt geplant.

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: ALLZWECK
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: SCHWERE IONEN
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: ALLZWECK
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: VORWÄRTSSPEKTROMETER
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: KOSMISCHE STRAHLUNG
Standort: Punkt 1, vorwärts
Größe: ±140 m von 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: ELASTISCHE STREUUNG
Standort: Punkt 5, vorwärts
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: EXOTISCHE SUCHE
Standort: Punkt 8 · Galerie UA83
Größe: NTDs + MAPP
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: VORWÄRTSPHYSIK
Standort: 480 m von 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-NACHWEIS
Standort: 480 m außeraxial von ATLAS
Größe: TI18 · außeraxial
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.

I nove esperimenti del Grande collisore di adroni (Italiano)

Esplora la macchina invisibile

Il Grande collisore di adroni (LHC) del CERN è un acceleratore superconduttore di 27 chilometri situato al confine franco-svizzero. Due fasci di protoni percorrono direzioni opposte al 99,999999% della velocità della luce e si incrociano in quattro punti di interazione. Le loro collisioni alimentano nove esperimenti, ciascuno con una domanda diversa sui mattoni fondamentali della materia. Il collisore è alla sua terza campagna (Run 3, dal 2022), con un aggiornamento ad alta luminosità (HL-LHC) previsto più avanti nel decennio.

ATLAS — L'occhio gigante sotto terra

ATLAS non guarda verso lo spazio. Guarda verso l'interno, nelle strutture più piccole della materia.

In profondità sotto la superficie, in uno dei quattro punti di collisione del Grande Collisore di Adroni, si trova uno dei più grandi strumenti scientifici mai costruiti. Quando due fasci di protoni collidono a quasi la velocità della luce, l'energia di quella collisione può trasformarsi brevemente in nuove particelle. Molte esistono per una minuscola frazione di secondo prima di scomparire.

ATLAS funziona circondando il punto di collisione con molti strati di rivelatori. Ogni strato registra un tipo diverso di traccia: il percorso delle particelle cariche, esplosioni di energia, o particelle che attraversano quasi tutto. Da queste tracce, i fisici ricostruiscono cosa è successo dentro la collisione.

Ecco perché ATLAS sembra un occhio gigante. Non vede le particelle direttamente. Vede le prove che lasciano dietro di sé.

ATLAS è un rivelatore polivalente. Ha contribuito a scoprire il bosone di Higgs nel 2012, studia le particelle conosciute in dettaglio estremo e cerca segni di fisica che potrebbe andare oltre quello che già comprendiamo.

Ruolo: POLIVALENTE
Posizione: Point 1
Dimensioni: 46 m · 25 m
Livello: Esperimento principale

ATLAS aiuta gli scienziati a trasformare collisioni di particelle invisibili in prove misurabili.

Cosa possiamo imparare da qualcosa che scompare quasi istantaneamente?

ATLAS registra le tracce lasciate dopo una collisione. Le particelle stesse possono svanire in frazioni di secondo, ma i loro percorsi, i depositi di energia e i prodotti del decadimento rimangono misurabili. Da questi indizi, gli scienziati ricostruiscono cosa è successo al punto di collisione.

ALICE — Una minuscola goccia dell'universo primordiale

ALICE ricrea, per un istante, il tipo di materia che riempiva l'universo subito dopo il Big Bang.

La maggior parte della materia intorno a noi è fatta di atomi. All'interno degli atomi ci sono i nuclei; all'interno dei nuclei ci sono protoni e neutroni; e al loro interno si trovano quark e gluoni. In condizioni normali i quark sono intrappolati all'interno delle particelle e non li vediamo mai muoversi liberamente.

ALICE studia cosa accade quando nuclei atomici pesanti, come gli ioni di piombo, collidono a enormi energie. Queste collisioni generano temperature così elevate che la materia entra in uno stato speciale chiamato plasma quark-gluone. In questo stato, quark e gluoni non sono più confinati nel modo consueto.

Non si tratta di materia ordinaria. È più simile al tipo di materia che potrebbe essere esistita subito dopo il Big Bang, quando l'universo era estremamente caldo e denso.

Questo rende ALICE uno degli esperimenti più poetici dell'LHC. Utilizza una macchina moderna, in profondità sotto terra, per esplorare i primissimi istanti dell'universo.

Ruolo: IONI PESANTI
Posizione: Point 2
Dimensioni: 26 m · 16 m
Livello: Esperimento principale

ALICE ricrea minuscole gocce di materia estrema per studiare l'universo primordiale.

Cosa accade alla materia quando diventa inconcepibilmente calda?

A temperature estreme, la materia può entrare in uno stato chiamato plasma quark-gluone. In questo stato, quark e gluoni non sono più confinati all'interno delle particelle ordinarie nel modo consueto. ALICE studia questo stato per comprendere la materia così come potrebbe essere esistita poco dopo il Big Bang.

CMS — La centrale compatta

Se ATLAS è un testimone, CMS è un secondo testimone che conferma gli stessi eventi con strumenti completamente diversi.

CMS sta per Compact Muon Solenoid. «Compact» significa più piccolo di ATLAS ma estremamente denso. «Muon» è una particella che CMS rileva con particolare efficienza. «Solenoid» è l'enorme magnete al cuore del rivelatore.

CMS indaga molte delle stesse grandi domande di ATLAS: il bosone di Higgs, il comportamento delle particelle note, possibili segnali di nuova fisica. Lo fa però con un design del rivelatore molto diverso, e questa differenza è importante.

In scienza, un risultato diventa molto più solido quando può essere confermato in modo indipendente. ATLAS e CMS sono due testimoni diversi che osservano lo stesso tipo di evento con strumenti differenti. Quando entrambi concordano, i ricercatori possono essere più certi che il pattern sia reale.

Il potente campo magnetico di CMS curva le traiettorie delle particelle cariche. Misurando la curvatura di ciascuna particella, i fisici ne stimano la quantità di moto. Il rivelatore diventa così una macchina di precisione per la misurazione delle particelle.

Ruolo: POLIVALENTE
Posizione: Point 5
Dimensioni: 21 m · 15 m
Livello: Esperimento principale

CMS aiuta a confermare e misurare eventi di particelle con straordinaria precisione.

Come fanno gli scienziati a sapere che una scoperta è reale?

Una scoperta diventa più solida quando esperimenti diversi trovano prove compatibili. CMS e ATLAS utilizzano design diversi per studiare domande simili. Se entrambi osservano indipendentemente lo stesso pattern, i ricercatori possono essere più certi che l'effetto sia reale.

LHCb — Il mistero della materia e dell'antimateria

Siamo qui, le galassie esistono, la materia è sopravvissuta. LHCb cerca di capire perché.

Secondo la nostra migliore comprensione, l'universo primordiale avrebbe dovuto creare materia e antimateria in quantità quasi uguali. Materia e antimateria sono partner speculari: quando si incontrano, possono annichilirsi a vicenda. Se fossero state create in quantità esattamente uguali, quasi tutto avrebbe potuto dissolversi in energia.

Ma non è quello che è successo. Siamo qui. Le galassie esistono. La materia è sopravvissuta.

LHCb studia le minuscole differenze nel comportamento di materia e antimateria. Queste differenze sono sottili: non drammatiche esplosioni, ma piccoli squilibri nascosti nel modo in cui certe particelle decadono.

Si concentra in particolare sulle particelle contenenti quark beauty (quark b). Misurando i loro decadimenti con estrema precisione, i ricercatori cercano pattern che possano spiegare perché la materia ha guadagnato un vantaggio sull'antimateria.

A differenza di ATLAS e CMS, LHCb non ha la forma di un grande cilindro attorno al punto di collisione. È piuttosto un rivelatore orientato in avanti, che studia le particelle che volano principalmente in una direzione.

Ruolo: SPETTROMETRO FORWARD
Posizione: Point 8
Dimensioni: 21 m · 10 m
Livello: Esperimento principale

LHCb studia minuscole differenze tra materia e antimateria che potrebbero spiegare perché esiste qualcosa.

Perché la materia è sopravvissuta?

Materia e antimateria avrebbero dovuto essere create in quantità quasi uguali. Ma l'universo attuale è composto prevalentemente di materia. LHCb studia minuscole differenze di comportamento tra materia e antimateria che potrebbero aiutare a spiegare perché la materia ha guadagnato un piccolo vantaggio.

LHCf — In ascolto delle particelle dallo spazio

Non tutta la fisica delle particelle ha inizio sottoterra. Una parte comincia nel cielo.

Ogni giorno, particelle estremamente energetiche provenienti dal cosmo colpiscono l'atmosfera terrestre. Questi raggi cosmici collidono con atomi in alta quota e creano sciami di particelle secondarie che si riversano verso la superficie.

I raggi cosmici sono difficili da studiare. Non possiamo controllare facilmente quando arrivano, da dove provengono o con cosa interagiscono esattamente. LHCf aiuta a risolvere questo problema.

All'LHC, i ricercatori possono creare collisioni ad alta energia in condizioni controllate. LHCf studia le particelle che volano molto vicino alla direzione del fascio dopo una collisione, la stessa regione cinematica degli sciami atmosferici da raggi cosmici. Queste misurazioni migliorano la nostra comprensione di ciò che accade quando i raggi cosmici colpiscono l'atmosfera.

LHCf è un ponte tra due mondi: l'ambiente controllato di un acceleratore e i violenti, altamente energetici eventi di particelle che si verificano nel cielo.

Ruolo: RAGGI COSMICI
Posizione: Punto 1, in avanti
Dimensioni: ±140 m da ATLAS
Livello: Esperimento avanzato

LHCf utilizza le collisioni dell'LHC per aiutare a comprendere i raggi cosmici dallo spazio.

Come può un acceleratore sotterraneo aiutarci a capire le particelle dallo spazio?

I raggi cosmici collidono con particelle nell'atmosfera terrestre e creano sciami di particelle secondarie. LHCf studia all'LHC processi di collisione ad alta energia simili, in condizioni controllate e misurabili. Questo aiuta a migliorare i modelli del comportamento dei raggi cosmici.

TOTEM — La scienza di quando quasi niente accade

A volte le collisioni più interessanti sono le più silenziose.

Quando si immaginano le collisioni di particelle, si pensa spesso a un urto violento: particelle che si scontrano ed esplodono in frammenti. Ma a volte gli eventi più interessanti sono più tranquilli.

TOTEM studia protoni che si sfiorano a distanza ravvicinata e si deflettono ad angoli estremamente piccoli. Questi protoni non volano spettacolarmente verso l'esterno. Continuano quasi in linea retta, leggermente deviati.

Questa piccola deviazione porta informazioni importanti. TOTEM aiuta i ricercatori a studiare come i protoni interagiscono, quanto appaiono grandi ad alte energie e cosa accade nelle regioni molto in avanti di una collisione. Si concentra su misurazioni difficili da effettuare per i grandi rivelatori centrali.

Questa è la bellezza di TOTEM: dimostra che la fisica non riguarda sempre eventi spettacolari. A volte si tratta di misurare qualcosa di così piccolo che sembra quasi che non sia successo niente.

Ruolo: DIFFUSIONE ELASTICA
Posizione: Punto 5, in avanti
Dimensioni: Roman Pots ±220 m
Livello: Esperimento avanzato

TOTEM studia minuscole deflessioni dei protoni per comprendere le interazioni tra protoni ad alta energia.

Cosa si può imparare quando sembra che quasi niente accada?

TOTEM studia protoni che vengono deviati solo leggermente dopo essersi avvicinati l'uno all'altro. Questi minuscoli angoli di diffusione rivelano informazioni su come i protoni interagiscono ad alta energia. A volte la deviazione più piccola porta le informazioni più precise.

MoEDAL-MAPP — In attesa della traccia impossibile

MoEDAL-MAPP è una paziente trappola per particelle che forse non esistono affatto.

La maggior parte dei rivelatori dell'LHC è progettata per registrare enormi quantità di eventi molto rapidamente. Raccolgono dati, li filtrano e cercano pattern. MoEDAL-MAPP ha un carattere diverso.

Cerca segnali insoliti e molto caratteristici di nuova fisica. Uno dei suoi bersagli più famosi è il monopolo magnetico ipotetico. Ogni magnete che conosciamo ha due poli, nord e sud. Taglia un magnete a metà e otterrai due magneti più piccoli, ciascuno con entrambi i poli. Un monopolo magnetico sarebbe una particella con un solo polo. Non ne è mai stato confermato uno.

MoEDAL-MAPP è come una paziente trappola per particelle rare e strane. Invece di osservare solo rapidi flussi di eventi ordinari, cerca tracce insolite difficili da confondere con qualcos'altro.

Questo esperimento insegna che la scienza significa anche cercare attentamente cose che potrebbero non esistere, e essere onesti quando non sono ancora state trovate.

Ruolo: RICERCA ESOTICA
Posizione: Punto 8 · galleria UA83
Dimensioni: NTDs + MAPP
Livello: Esperimento avanzato

MoEDAL-MAPP cerca segnali rari ed esotici di nuova fisica.

Come si cerca qualcosa che nessuno ha mai visto?

MoEDAL-MAPP cerca tracce rare e insolite che sarebbero difficili da confondere con eventi di particelle ordinari. È progettato per ricercare possibilità esotiche, come i monopoli magnetici ipotetici, evitando di reclamare scoperte prima che esistano prove.

FASER — Seguire la direzione nascosta

Non ogni scoperta si trova dove l'esplosione è più luminosa.

Quando avviene una collisione in un grande rivelatore come ATLAS, molte particelle volano verso l'esterno. I grandi rivelatori sono costruiti per circondare il punto di collisione e catturare il più possibile. Ma cosa succede se alcune particelle interessanti non volano verso l'esterno? Se viaggiano in avanti, quasi esattamente lungo l'asse del fascio?

FASER è stato progettato per quella direzione nascosta. Cerca particelle leggere e debolmente interagenti che possono essere prodotte nelle collisioni dell'LHC e poi viaggiare lontano in avanti prima di decadere. Studia anche neutrini ad alta energia prodotti all'LHC.

FASER non è posizionato intorno alla collisione principale come ATLAS o CMS. Si trova lontano a valle, osservando un percorso stretto che gli altri rivelatori non sono ottimizzati per vedere.

FASER amplia il modello mentale dell'LHC. L'acceleratore non è solo un anello con grandi esperimenti. È anche un ambiente in cui rivelatori più piccoli e ingegnosi possono cercare in luoghi trascurati.

Ruolo: FISICA FORWARD
Posizione: 480 m da ATLAS
Dimensioni: 1,5 m · tunnel TI12
Livello: Esperimento avanzato

FASER guarda in avanti lungo l'asse del fascio alla ricerca di particelle che potrebbero sfuggire ai rivelatori principali.

Cosa potremmo trovare guardando dove gli altri non guardano?

Alcune particelle possono viaggiare in avanti lungo l'asse del fascio invece di volare verso i grandi rivelatori. FASER è posizionato in questa direzione nascosta per cercare particelle debolmente interagenti e studiare neutrini ad alta energia prodotti all'LHC.

SND@LHC — Catturare le particelle fantasma

Innumerevoli neutrini attraversano il tuo corpo ogni secondo, e non li senti mai.

Alcune particelle sono difficili da rilevare perché sono rare. Altre perché interagiscono a malapena con qualsiasi cosa. I neutrini sono così: particelle minuscole, elettricamente neutre, capaci di attraversare enormi quantità di materia quasi indisturbate.

SND@LHC studia i neutrini prodotti dalle collisioni al Large Hadron Collider. È straordinario, perché l'LHC non viene di solito immaginato come una sorgente di neutrini. Lo si pensa spesso come una macchina per frantumare protoni. Ma alcune collisioni producono anche neutrini, e queste particelle fantasmatiche attraversano la materia lasciando pochissime tracce.

Una collisione avviene. La maggior parte delle particelle lascia tracce evidenti. Ma i neutrini passano silenziosamente attraverso il mondo del rivelatore, quasi impossibili da catturare. Poi, raramente, uno interagisce e crea un segnale visibile.

Quel raro segnale è il momento di apprendimento. SND@LHC insegna che l'assenza di prove non è sempre una prova di assenza. Alcune particelle sono ovunque, ma estremamente difficili da catturare.

Ruolo: RILEVAZIONE DI NEUTRINI
Posizione: 480 m fuori asse da ATLAS
Dimensioni: TI18 · fuori asse
Livello: Esperimento avanzato

SND@LHC rileva e studia gli elusivi neutrini prodotti all'LHC.

Come si cattura una particella che quasi non lascia mai traccia?

I neutrini attraversano la materia con pochissime interazioni. SND@LHC aspetta il raro momento in cui un neutrino interagisce e crea un segnale rilevabile. La sfida non è che i neutrini siano assenti. Sono semplicemente estremamente difficili da catturare.

Los nueve experimentos del Gran Colisionador de Hadrones (Español)

Explora la máquina invisible

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN es un acelerador superconductor de 27 kilómetros en la frontera franco-suiza. Dos haces de protones viajan en direcciones opuestas al 99,999999% de la velocidad de la luz y se cruzan en cuatro puntos de interacción. Sus colisiones alimentan nueve experimentos, cada uno con una pregunta diferente sobre los bloques de construcción de la materia. El colisionador está en su tercera campaña (Run 3, desde 2022), con una mejora de alta luminosidad (HL-LHC) prevista para más adelante en la década.

ATLAS — El ojo gigante bajo tierra

ATLAS no mira hacia el espacio. Mira hacia adentro, hacia las estructuras más pequeñas de la materia.

En lo profundo de la superficie, en uno de los cuatro puntos de colisión del Gran Colisionador de Hadrones, se encuentra uno de los instrumentos científicos más grandes jamás construidos. Cuando dos haces de protones colisionan a casi la velocidad de la luz, la energía de esa colisión puede transformarse brevemente en nuevas partículas. Muchas existen durante solo una fracción diminuta de segundo antes de desvanecerse.

ATLAS funciona rodeando el punto de colisión con muchas capas de detectores. Cada capa registra un tipo diferente de traza: el camino de las partículas cargadas, ráfagas de energía, o partículas que atraviesan casi todo. A partir de estas trazas, los físicos reconstruyen lo que ocurrió dentro de la colisión.

Por eso ATLAS parece un ojo gigante. No ve las partículas directamente. Ve la evidencia que dejan atrás.

ATLAS es un detector multipropósito. Ayudó a descubrir el bosón de Higgs en 2012, estudia las partículas conocidas con detalle extremo y busca señales de física que puede ir más allá de lo que ya entendemos.

Rol: MULTIPROPÓSITO
Ubicación: Point 1
Tamaño: 46 m · 25 m
Nivel: Experimento principal

ATLAS ayuda a los científicos a convertir colisiones de partículas invisibles en evidencia medible.

¿Qué podemos aprender de algo que desaparece casi instantáneamente?

ATLAS registra las trazas dejadas después de una colisión. Las propias partículas pueden desvanecerse en fracciones de segundo, pero sus caminos, los depósitos de energía y los productos de desintegración siguen siendo medibles. A partir de estas pistas, los científicos reconstruyen lo que ocurrió en el punto de colisión.

ALICE — Una diminuta gota del universo temprano

ALICE recrea, por un instante, el tipo de materia que llenó el universo justo después del Big Bang.

La mayor parte de la materia que nos rodea está hecha de átomos. Dentro de los átomos hay núcleos; dentro de los núcleos, protones y neutrones; y dentro de estos, quarks y gluones. Normalmente, los quarks están atrapados dentro de las partículas y nunca los vemos moverse libremente.

ALICE estudia qué ocurre cuando núcleos atómicos pesados, como los iones de plomo, colisionan a enormes energías. Estas colisiones crean temperaturas tan altas que la materia entra en un estado especial llamado plasma quark-gluón. En este estado, los quarks y gluones ya no están confinados de la manera habitual.

No se trata de materia ordinaria. Es más parecida al tipo de materia que pudo existir justo después del Big Bang, cuando el universo era extremadamente caliente y denso.

Esto convierte a ALICE en uno de los experimentos más poéticos del LHC. Utiliza una máquina moderna, en las profundidades subterráneas, para investigar los primeros instantes del universo.

Rol: IONES PESADOS
Ubicación: Point 2
Tamaño: 26 m · 16 m
Nivel: Experimento principal

ALICE recrea pequeñas gotas de materia extrema para estudiar el universo temprano.

¿Qué le ocurre a la materia cuando se vuelve inconcebiblemente caliente?

A temperaturas extremas, la materia puede entrar en un estado llamado plasma quark-gluón. En este estado, los quarks y gluones ya no están atrapados dentro de las partículas ordinarias de la manera habitual. ALICE estudia este estado para entender la materia tal como pudo existir poco después del Big Bang.

CMS — La central compacta

Si ATLAS es un testigo, CMS es un segundo testigo que confirma los mismos eventos con instrumentos completamente distintos.

CMS son las siglas de Compact Muon Solenoid. «Compacto» significa más pequeño que ATLAS pero extremadamente denso. «Muón» es una partícula que CMS detecta especialmente bien. «Solenoide» es el enorme imán en el corazón del detector.

CMS investiga muchas de las mismas grandes preguntas que ATLAS: el bosón de Higgs, el comportamiento de las partículas conocidas, posibles indicios de nueva física. Pero lo hace con un diseño del detector muy diferente, y esa diferencia importa.

En ciencia, un resultado se vuelve mucho más sólido cuando puede confirmarse de forma independiente. ATLAS y CMS son dos testigos distintos que observan el mismo tipo de evento con diferentes instrumentos. Cuando ambos coinciden, los científicos pueden tener más confianza en que el patrón es real.

El potente campo magnético de CMS curva las trayectorias de las partículas cargadas. Midiendo cuánto se curva cada partícula, los científicos estiman su momento. El detector se convierte así en una máquina de medición precisa de partículas.

Rol: MULTIPROPÓSITO
Ubicación: Point 5
Tamaño: 21 m · 15 m
Nivel: Experimento principal

CMS ayuda a confirmar y medir eventos de partículas con extraordinaria precisión.

¿Cómo saben los científicos que un descubrimiento es real?

Un descubrimiento se vuelve más sólido cuando distintos experimentos encuentran evidencia compatible. CMS y ATLAS usan diseños diferentes para estudiar preguntas similares. Si ambos observan el mismo patrón de forma independiente, los científicos pueden confiar más en que el efecto es real.

LHCb — El misterio de la materia y la antimateria

Estamos aquí, las galaxias existen, la materia sobrevivió. LHCb intenta entender por qué.

Según nuestra mejor comprensión, el universo temprano debería haber creado materia y antimateria en cantidades casi iguales. La materia y la antimateria son compañeros especulares: cuando se encuentran, pueden aniquilarse mutuamente. Si se hubieran creado en cantidades exactamente iguales, casi todo podría haberse disuelto en energía.

Pero eso no es lo que ocurrió. Estamos aquí. Las galaxias existen. La materia sobrevivió.

LHCb estudia las pequeñas diferencias entre el comportamiento de la materia y la antimateria. Estas diferencias son sutiles: no explosiones dramáticas, sino pequeños desequilibrios ocultos en la forma en que ciertas partículas se desintegran.

Se centra especialmente en partículas que contienen quarks beauty (quarks b). Midiendo sus desintegraciones con extrema precisión, los científicos buscan patrones que puedan explicar por qué la materia obtuvo una ventaja sobre la antimateria.

A diferencia de ATLAS y CMS, LHCb no tiene la forma de un gran barril alrededor del punto de colisión. Es más bien un detector orientado hacia adelante, que estudia las partículas que viajan principalmente en una dirección.

Rol: ESPECTRÓMETRO FRONTAL
Ubicación: Point 8
Tamaño: 21 m · 10 m
Nivel: Experimento principal

LHCb estudia las diminutas diferencias entre materia y antimateria que podrían explicar por qué existe algo.

¿Por qué sobrevivió la materia?

La materia y la antimateria deberían haberse creado en cantidades casi iguales. Pero el universo actual está compuesto principalmente de materia. LHCb estudia las pequeñas diferencias de comportamiento entre la materia y la antimateria que pueden ayudar a explicar por qué la materia obtuvo una pequeña ventaja.

LHCf — Escuchando las partículas del espacio

No toda la física de partículas comienza bajo tierra. Parte de ella comienza en el cielo.

Cada día, partículas extremadamente energéticas del cosmos golpean la atmósfera de la Tierra. Estos rayos cósmicos chocan con átomos en las capas altas de la atmósfera y crean cascadas de partículas secundarias que llueven hacia la superficie.

Los rayos cósmicos son difíciles de estudiar. No podemos controlar fácilmente cuándo llegan, de dónde vienen, ni exactamente con qué colisionan. LHCf ayuda con este problema.

En el LHC, los científicos pueden crear colisiones de alta energía en condiciones controladas. LHCf estudia las partículas que vuelan muy cerca de la dirección del haz tras una colisión, la misma región cinemática que las cascadas de rayos cósmicos en la atmósfera. Estas mediciones mejoran nuestra comprensión de lo que ocurre cuando los rayos cósmicos golpean la atmósfera.

LHCf es un puente entre dos mundos: el entorno controlado de un colisionador y los violentos y energéticos eventos de partículas que ocurren en el cielo.

Rol: RAYOS CÓSMICOS
Ubicación: Punto 1, hacia adelante
Tamaño: ±140 m de ATLAS
Nivel: Experimento avanzado

LHCf utiliza las colisiones del LHC para comprender mejor los rayos cósmicos del espacio.

¿Cómo puede un colisionador subterráneo ayudarnos a entender las partículas del espacio?

Los rayos cósmicos colisionan con partículas en la atmósfera terrestre y crean cascadas de partículas secundarias. LHCf estudia procesos de colisión de alta energía similares en el LHC, donde las condiciones son controladas y medibles. Esto mejora los modelos del comportamiento de los rayos cósmicos.

TOTEM — La ciencia de cuando casi no pasa nada

A veces las colisiones más interesantes son las más silenciosas.

Cuando la gente imagina colisiones de partículas, suele pensar en un choque violento: partículas que colisionan y estallan en fragmentos. Pero a veces los eventos más interesantes son los más tranquilos.

TOTEM estudia protones que pasan muy cerca uno del otro y se dispersan en ángulos extremadamente pequeños. Estos protones no salen volando dramáticamente hacia afuera. Continúan casi en línea recta, apenas desviados.

Esa pequeña desviación contiene información importante. TOTEM ayuda a los científicos a estudiar cómo interactúan los protones, cuán grandes parecen a altas energías y qué ocurre en las regiones muy frontales de una colisión. Se centra en mediciones difíciles de realizar para los grandes detectores centrales.

Esa es la belleza de TOTEM: demuestra que la física no siempre trata de eventos espectaculares. A veces se trata de medir algo tan pequeño que casi parece que no ha pasado nada.

Rol: DISPERSIÓN ELÁSTICA
Ubicación: Punto 5, hacia adelante
Tamaño: Roman Pots ±220 m
Nivel: Experimento avanzado

TOTEM estudia las pequeñas deflexiones de los protones para entender sus interacciones a alta energía.

¿Qué podemos aprender cuando casi no parece que pase nada?

TOTEM estudia protones que son apenas desviados después de pasar cerca uno del otro. Estos ángulos de dispersión diminutos revelan información sobre cómo interactúan los protones a alta energía. A veces la desviación más pequeña lleva la información más precisa.

MoEDAL-MAPP — Esperando la huella imposible

MoEDAL-MAPP es una trampa paciente para partículas que quizá no existen en absoluto.

La mayoría de los detectores del LHC están construidos para registrar enormes cantidades de eventos muy rápidamente. Recopilan datos, los filtran y buscan patrones. MoEDAL-MAPP tiene una personalidad diferente.

Busca señales inusuales y muy distintivas de nueva física. Uno de sus famosos objetivos es el hipotético monopolo magnético. Todos los imanes que conocemos tienen dos polos, norte y sur. Corta un imán por la mitad y obtendrás dos imanes más pequeños, cada uno con ambos polos. Un monopolo magnético sería una partícula con un solo polo. Ninguno ha sido confirmado.

MoEDAL-MAPP es como una trampa paciente para partículas raras y extrañas. En lugar de solo observar rápidas corrientes de eventos ordinarios, busca huellas inusuales que serían difíciles de confundir con otra cosa.

Este experimento enseña que la ciencia también significa buscar cuidadosamente cosas que quizá no existen, y ser honesto cuando todavía no se han encontrado.

Rol: BÚSQUEDA EXÓTICA
Ubicación: Punto 8 · galería UA83
Tamaño: NTDs + MAPP
Nivel: Experimento avanzado

MoEDAL-MAPP busca señales raras y exóticas de nueva física.

¿Cómo se busca algo que nadie ha visto nunca?

MoEDAL-MAPP busca huellas raras e inusuales que serían difíciles de confundir con eventos de partículas ordinarios. Está diseñado para buscar posibilidades exóticas, como los hipotéticos monopolos magnéticos, siendo cuidadoso de no reclamar descubrimientos antes de que exista la evidencia.

FASER — Siguiendo la dirección oculta

No todos los descubrimientos se encuentran donde la explosión es más brillante.

Cuando ocurre una colisión dentro de un gran detector como ATLAS, muchas partículas salen volando hacia afuera. Los grandes detectores están construidos para rodear el punto de colisión y capturar el máximo posible. Pero ¿qué pasa si algunas partículas interesantes no salen volando hacia afuera? ¿Si viajan hacia adelante, casi exactamente a lo largo de la línea del haz?

FASER fue diseñado para esa dirección oculta. Busca partículas ligeras, con interacción débil, que pueden producirse en colisiones del LHC y luego viajar lejos hacia adelante antes de desintegrarse. También estudia los neutrinos de alta energía producidos en el LHC.

FASER no está colocado alrededor de la colisión principal como ATLAS o CMS. Se sitúa lejos aguas abajo, mirando un camino estrecho que otros detectores no están optimizados para ver.

FASER amplía el modelo mental del LHC. El colisionador no es solo un anillo con grandes experimentos. Es también un entorno donde detectores más pequeños e ingeniosos pueden buscar en lugares pasados por alto.

Rol: FÍSICA ADELANTE
Ubicación: 480 m de ATLAS
Tamaño: 1,5 m · túnel TI12
Nivel: Experimento avanzado

FASER mira hacia adelante a lo largo de la línea del haz en busca de partículas que pueden escapar de los detectores principales.

¿Qué podríamos encontrar mirando donde los demás no miran?

Algunas partículas pueden viajar hacia adelante a lo largo de la línea del haz en lugar de volar hacia los grandes detectores. FASER está colocado en esta dirección oculta para buscar partículas con interacción débil y estudiar neutrinos de alta energía producidos en el LHC.

SND@LHC — Atrapando partículas fantasma

Incontables neutrinos atraviesan tu cuerpo cada segundo, y nunca los sientes.

Algunas partículas son difíciles de detectar porque son raras. Otras porque apenas interactúan con nada. Los neutrinos son así: partículas diminutas, eléctricamente neutras, que pueden atravesar enormes cantidades de materia casi sin perturbarse.

SND@LHC estudia los neutrinos producidos por las colisiones en el Gran Colisionador de Hadrones. Esto es notable porque el LHC no se imagina habitualmente como una fuente de neutrinos. A menudo se piensa en él como una máquina para romper protones. Pero algunas colisiones también producen neutrinos, y estas partículas fantasmales viajan a través de la materia con muy pocas trazas.

Ocurre una colisión. La mayoría de las partículas dejan rastros obvios. Pero los neutrinos pasan silenciosamente a través del mundo del detector, casi imposibles de atrapar. Entonces, raramente, uno interactúa y crea una señal visible.

Esa señal rara es el momento de aprendizaje. SND@LHC enseña que la ausencia de evidencia no es siempre evidencia de ausencia. Algunas partículas están en todas partes, pero son extremadamente difíciles de atrapar.

Rol: DETECCIÓN DE NEUTRINOS
Ubicación: 480 m fuera de eje de ATLAS
Tamaño: TI18 · fuera de eje
Nivel: Experimento avanzado

SND@LHC detecta y estudia los esquivos neutrinos producidos en el LHC.

¿Cómo atrapar una partícula que casi nunca deja rastro?

Los neutrinos atraviesan la materia con muy poca interacción. SND@LHC espera el raro momento en que un neutrino interactúa y crea una señal detectable. El desafío no es que los neutrinos estén ausentes. Es simplemente que son extremadamente difíciles de atrapar.

大型ハドロン衝突型加速器の9つの実験 (日本語)

見えない機械を探索する

CERNの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）は、フランス・スイス国境に沿って走る全長27キロメートルの超伝導粒子加速器です。2本の陽子ビームが光速の99.999999%で反対方向に走り、4つの衝突点で交差します。その衝突が9つの実験に供給され、各実験は物質の基本的な構成要素について異なる問いを追求しています。加速器は現在3回目の運転（Run 3、2022年〜）にあり、高輝度アップグレード（HL-LHC）が今後数年のうちに予定されています。

ATLAS — 地下にある巨大な目

ATLASは宇宙を見つめません。物質の最も小さな構造、その内側を見つめます。

地表の深い場所、大型ハドロン衝突型加速器の四つの衝突点の一つに、これまでに建設された中で最も大きな科学機器の一つがあります。二本の陽子ビームがほぼ光速で衝突すると、その衝突のエネルギーが一瞬、新しい粒子に変換されます。多くは消えるまでのほんの僅かな時間しか存在しません。

ATLASは衝突点を多くの層の検出器で囲むことで機能します。各層は異なる種類の痕跡を記録します：荷電粒子の経路、エネルギーの噴出、またはほぼすべてを通り抜ける粒子。これらの痕跡から、物理学者は衝突の内部で何が起きたかを再構成します。

だからこそATLASは巨大な目のように感じられます。粒子を直接見ることはありません。粒子が残した証拠を見るのです。

ATLASは汎用検出器です。2012年のヒッグスボソンの発見に貢献し、既知の粒子を極めて詳細に研究し、現在の理解を超えた物理学の兆候を探しています。

役割: 汎用型
場所: Point 1
規模: 46 m · 25 m
分類: 主実験

ATLASは科学者が見えない粒子衝突を測定可能な証拠に変えるのを助けます。

ほぼ瞬時に消えてしまうものから何を学べるのでしょうか？

ATLASは衝突後に残された痕跡を記録します。粒子自体は秒の何分の一かで消えてしまいますが、その経路、エネルギー堆積、崩壊産物は測定可能なまま残ります。これらの手がかりから、科学者たちは衝突点で何が起きたかを再構成します。

ALICE — 初期宇宙の小さな水滴

ALICEは、ビッグバン直後の宇宙を満たしていたような物質を一瞬だけ再現します。

私たちの周りにある物質のほとんどは原子でできています。原子の中には原子核があり、原子核の中には陽子と中性子があり、そしてその中にはクォークとグルーオンがあります。通常、クォークは粒子の中に閉じ込められており、自由に動き回る姿を見ることはありません。

ALICEは、鉛イオンのような重い原子核が巨大なエネルギーで衝突したときに何が起きるかを研究しています。これらの衝突は非常に高い温度を生み出し、物質がクォーク・グルーオン・プラズマと呼ばれる特殊な状態に入ります。この状態では、クォークとグルーオンは通常のように閉じ込められてはいません。

これは普通の物質ではありません。宇宙が極めて高温で高密度だったビッグバン直後に存在していたかもしれない物質に近いものです。

これがALICEをLHCで最も詩的な実験の一つにしている理由です。地下深くにある最新の機械を使って、宇宙の最初の瞬間を探究しています。

役割: 重イオン
場所: Point 2
規模: 26 m · 16 m
分類: 主実験

ALICEは極端な物質の小さな水滴を再現して初期宇宙を研究します。

物質が想像を絶するほど熱くなるとどうなるのでしょうか？

極端な温度では、物質はクォーク・グルーオン・プラズマと呼ばれる状態に入ることがあります。この状態では、クォークとグルーオンは通常の方法で普通の粒子の中に閉じ込められていません。ALICEはこの状態を研究して、ビッグバン直後に存在していたかもしれない物質を理解しようとしています。

CMS — コンパクトな発電所

ATLASが目撃者であるとすれば、CMSは全く異なる機器で同じ事象を確認する第二の目撃者です。

CMSはCompact Muon Solenoid（コンパクト・ミューオン・ソレノイド）の略です。「コンパクト」とはATLASより小さいが非常に密度が高いという意味です。「ミューオン」はCMSが特に得意とする粒子の検出です。「ソレノイド」は検出器の中心にある巨大な磁石です。

CMSはATLASと同様の重要な問いを探求しています：ヒッグス粒子、既知粒子の振る舞い、新しい物理の兆候。ただし、まったく異なる検出器設計を用いており、その違いが重要です。

科学では、独立して確認できる結果はより強固なものになります。ATLASとCMSは、同じ種類の事象を異なる機器で観察する二人の異なる証人です。両者が一致したとき、科学者はそのパターンが本物であるという確信を深めます。

CMSの強力な磁場は荷電粒子の軌跡を曲げます。各粒子がどれだけ曲がるかを測定することで、科学者はその運動量を推定します。こうして検出器は精密な粒子測定機器となります。

役割: 汎用型
場所: Point 5
規模: 21 m · 15 m
分類: 主実験

CMSは特別な精度で粒子事象を確認・測定するのを助けます。

科学者はどうやって発見が本物だと知るのでしょうか？

異なる実験が互換性のある証拠を示すとき、発見はより確かなものになります。CMSとATLASは異なる設計で同様の問いを研究します。両方が独立して同じパターンを観測すれば、科学者はその効果が本物であるという自信を深められます。

LHCb — 物質と反物質の謎

私たちはここにいて、銀河は存在し、物質は生き残りました。LHCbはその理由を解明しようとしています。

私たちの最善の理解によれば、初期宇宙は物質と反物質をほぼ等量生成したはずです。物質と反物質は鏡の対：互いに出会うと対消滅します。もし正確に等量が生成されていたなら、ほぼすべてがエネルギーに変わっていたかもしれません。

しかし、そうはなりませんでした。私たちはここにいます。銀河は存在します。物質は生き残りました。

LHCbは物質と反物質の振る舞いの微小な違いを研究しています。これらの違いは微妙なもので、劇的な爆発ではなく、特定の粒子が崩壊する方法に隠された小さな不均衡です。

特にビューティークォーク（bクォーク）を含む粒子に焦点を当てています。それらの崩壊を極めて高い精度で測定することで、科学者たちは物質が反物質に対して優位を得た理由を説明できるパターンを探しています。

ATLASやCMSとは異なり、LHCbは衝突点を囲む大きな樽状の形をしていません。主に一方向に飛ぶ粒子を研究する前方向型の検出器に近い形をしています。

役割: 前方スペクトロメータ
場所: Point 8
規模: 21 m · 10 m
分類: 主実験

LHCbは物質と反物質の微小な違いを研究し、何かが存在する理由を解明しようとしています。

物質はなぜ生き残ったのでしょうか？

物質と反物質はほぼ等量生成されたはずです。しかし今日の宇宙はほとんどが物質です。LHCbは物質と反物質の振る舞いの微小な違いを研究しており、物質がわずかな優位を得た理由の説明につながるかもしれません。

LHCf — 宇宙からの粒子に耳を傾ける

素粒子物理学のすべてが地下から始まるわけではありません。その一部は空から始まります。

毎日、宇宙から極めてエネルギーの高い粒子が地球の大気圏に衝突しています。これらの宇宙線は遥か上空で原子と衝突し、地表に向かって降り注ぐ二次粒子のシャワーを生み出します。

宇宙線は研究が難しい対象です。いつ到来するか、どこから来るか、何と衝突するかを簡単に制御することはできません。LHCfはこの問題を解決する助けになります。

LHCでは、制御された条件下で高エネルギー衝突を生み出すことができます。LHCfは衝突後にビームの方向に非常に近い角度で飛ぶ粒子を研究します。これは宇宙線空気シャワーと同じ運動学的領域です。これらの測定は、宇宙線が大気に当たるときに何が起きるかについての理解を深めます。

LHCfは二つの世界の架け橋です：加速器という制御された環境と、空で起きている激しく高エネルギーな粒子現象の世界です。

役割: 宇宙線研究
場所: ポイント1 前方
規模: ATLASから±140 m
分類: 高度な実験

LHCfはLHCの衝突を利用して宇宙からの宇宙線の理解を助けます。

地下の加速器はどうして宇宙からの粒子の理解を助けられるのでしょうか？

宇宙線は地球の大気圏内の粒子と衝突し、二次粒子のシャワーを生み出します。LHCfはLHCで同様の高エネルギー衝突過程を制御・測定可能な条件下で研究します。これにより宇宙線の振る舞いのモデルが改善されます。

TOTEM — ほとんど何も起きないときの科学

時として最も興味深い衝突は最も静かな衝突です。

粒子衝突を想像するとき、激しい衝突：粒子が衝突して断片に砕け散るという場面を思い浮かべることが多いでしょう。しかし、時として最も興味深い事象は静かなものです。

TOTEMは、互いに非常に近くを通り過ぎ、極めて小さな角度で散乱する陽子を研究しています。これらの陽子は劇的に外側へ飛ぶわけではありません。ほぼまっすぐ進み、わずかに方向を変えるだけです。

その微小な偏向には重要な情報が含まれています。TOTEMは、陽子がどのように相互作用するか、高エネルギーではどれだけの大きさに見えるか、そして衝突の非常に前方領域で何が起きるかを研究するのに役立ちます。大型の中央検出器では測定が難しい測定に集中しています。

これがTOTEMの美しさです：物理学が常に劇的な事象を扱うわけではないことを示しています。時として、ほとんど何も起きなかったかのように見えるほど小さなものを測定することが重要なのです。

役割: 弾性散乱
場所: ポイント5 前方
規模: Roman Pots ±220 m
分類: 高度な実験

TOTEMは微小な陽子の偏向を研究し、高エネルギーにおける陽子相互作用を理解しようとしています。

ほとんど何も起きていないように見えるとき、何を学べるのでしょうか？

TOTEMは、互いに近くを通り過ぎた後にわずかに偏向した陽子を研究しています。これらの微小な散乱角は、高エネルギーで陽子がどのように相互作用するかについての情報を明らかにします。最小の偏差が最も精密な情報を持つことがあります。

MoEDAL-MAPP — 不可能な痕跡を待つ

MoEDAL-MAPPは、存在すらしないかもしれない粒子のための辛抱強い罠です。

LHCのほとんどの検出器は、大量の事象を非常に素早く記録するよう設計されています。データを収集し、フィルタリングして、パターンを探します。MoEDAL-MAPPは異なる性格を持っています。

新しい物理学の異常で非常に独特な兆候を探しています。有名な探索対象の一つは、仮想的な磁気モノポールです。私たちが知るすべての磁石には北と南の二つの極があります。磁石を半分に切ると、それぞれに両方の極を持つ二つの小さな磁石になります。磁気モノポールは一つの極だけを持つ粒子です。これまで確認されたことはありません。

MoEDAL-MAPPは希少で奇妙な粒子のための辛抱強い罠のようなものです。通常の事象の速いストリームを観察するだけでなく、他の何かと間違えにくい異常な痕跡を探しています。

この実験は科学が意味することを教えてくれます：存在しないかもしれないものを丁寧に探すこと、そしてまだ見つかっていないときは正直であること。

役割: エキゾチック探索
場所: ポイント8 · UA83ギャラリー
規模: NTDs + MAPP
分類: 高度な実験

MoEDAL-MAPPは新しい物理学の希少でエキゾチックな兆候を探しています。

誰も見たことがないものをどうやって探すのでしょうか？

MoEDAL-MAPPは、通常の粒子事象と区別しにくい、希少で異常な痕跡を探しています。磁気モノポールのような仮想的な可能性を探すよう設計されており、証拠が存在する前に発見を主張しないよう慎重です。

FASER — 隠れた方向を追いかける

すべての発見が最も明るい爆発のある場所にあるとは限りません。

ATLASのような大型検出器の中で衝突が起きると、多くの粒子が外側へ飛び出します。大型検出器は衝突点を囲んでできる限り多くを捉えるよう設計されています。しかし、もし興味深い粒子の一部が外側に飛ばないとしたら？ビームラインにほぼ沿って前方へ進むとしたら？

FASERはその隠れた方向のために設計されました。LHCの衝突で生成され、崩壊する前に遠く前方へ進む可能性のある軽い弱相互作用粒子を探しています。またLHCで生成される高エネルギーのニュートリノも研究しています。

FASERはATLASやCMSのように主衝突点を囲んで配置されていません。ビームライン下流の遠いところに設置されており、他の検出器が最適化されていない狭い経路を観察しています。

FASERはLHCの精神的なモデルを広げます。この加速器は大きな実験を持つ単なるリングではありません。賢い小型検出器が見逃されがちな場所を探索できる環境でもあります。

役割: 前方物理
場所: ATLASから480 m
規模: 1.5 m · TI12トンネル
分類: 高度な実験

FASERはビームラインに沿って前方を見て、主要検出器から逃げる可能性のある粒子を探します。

他の誰も見ていない場所を見たら、何が見つかるでしょうか？

一部の粒子は大型検出器に向かって外へ飛ぶ代わりに、ビームラインに沿って前方へ進む場合があります。FASERはこの隠れた方向に配置されており、弱相互作用粒子を探し、LHCで生成される高エネルギーニュートリノを研究しています。

SND@LHC — 幽霊粒子を捕まえる

無数のニュートリノが毎秒あなたの体を通り抜けていますが、決して感じることはありません。

検出が難しい粒子があります。一方は希少であるためです。もう一方はほとんど何とも相互作用しないためです。ニュートリノはそういった粒子です：電荷を持たない微小な粒子で、巨大な量の物質をほとんど乱されることなく通過できます。

SND@LHCは大型強子衝突型加速器での衝突で生成されるニュートリノを研究しています。これは注目に値します。なぜなら、LHCは通常ニュートリノ源として想像されないからです。多くの場合、陽子を粉砕する機械として考えられています。しかし一部の衝突はニュートリノも生成し、これらの幽霊のような粒子はほとんど痕跡を残さずに物質を通過します。

衝突が起きます。ほとんどの粒子は明確な痕跡を残します。しかしニュートリノは検出器の世界を静かに通り抜け、捕まえることはほぼ不可能です。そして、まれに一つが相互作用して可視的な信号を生み出します。

その希少な信号が学びの瞬間です。SND@LHCは、証拠の欠如が常に不在の証拠ではないことを教えてくれます。一部の粒子はどこにでも存在しますが、捕まえることが極めて難しいのです。

役割: ニュートリノ検出
場所: ATLASから480 m 軸外
規模: TI18 · 軸外
分類: 高度な実験

SND@LHCはLHCで生成される捉えにくいニュートリノを検出し研究します。

ほとんど痕跡を残さない粒子をどうやって捕まえるのでしょうか？

ニュートリノはほとんど相互作用せずに物質を通過します。SND@LHCはニュートリノが相互作用して検出可能な信号を生み出すまれな瞬間を待ちます。課題はニュートリノが存在しないことではありません。単に捕まえることが極めて難しいのです。

大型强子对撞机的九个实验 (中文（简体）)

探索看不见的机器

欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）是一台沿法瑞边境延伸27公里的超导粒子加速器。两束质子束以光速的99.999999%沿相反方向运行，在四个相互作用点交叉碰撞。这些碰撞为九个实验提供数据，每个实验对物质的基本构成提出不同的科学问题。对撞机目前处于第三轮运行（Run 3，2022年至今），高亮度升级（HL-LHC）计划在本十年晚些时候进行。

ATLAS — 地下的巨大眼睛

ATLAS不是在仰望宇宙。它向内凝视，探索物质最微小的结构。

在地表深处，大型强子对撞机四个碰撞点之一，矗立着有史以来建造的最大科学仪器之一。当两束质子以接近光速碰撞时，碰撞产生的能量可以短暂地转化为新粒子。许多粒子仅存在极短的时间便消失不见。

ATLAS的工作原理是用多层探测器包围碰撞点。每一层记录不同类型的痕迹：带电粒子的轨迹、能量爆发，或穿透几乎一切物质的粒子。物理学家从这些痕迹中重建碰撞内部发生的事情。

这就是为什么ATLAS让人感觉像一只巨大的眼睛。它不是直接看到粒子，而是看到粒子留下的证据。

ATLAS是一台多用途探测器。它帮助发现了2012年的希格斯玻色子，极其详细地研究已知粒子，并寻找可能超越现有认知的物理迹象。

角色: 通用型
位置: Point 1
规模: 46 m · 25 m
类别: 主要实验

ATLAS帮助科学家将看不见的粒子碰撞转化为可测量的证据。

从几乎瞬间消失的东西中，我们能学到什么？

ATLAS记录碰撞后留下的痕迹。粒子本身可能在极短时间内消失，但它们的轨迹、能量沉积和衰变产物仍然可以测量。科学家从这些线索中重建碰撞点发生的事情。

ALICE — 早期宇宙的微小液滴

ALICE瞬间重现了大爆炸后宇宙中充满的那种物质。

我们周围的大多数物质都是由原子构成的。原子内部有原子核，原子核内有质子和中子，而质子和中子内部又有夸克和胶子。通常情况下，夸克被锁在粒子内部，我们从未见过它们自由移动。

ALICE研究当铅离子等重原子核以巨大能量碰撞时会发生什么。这些碰撞产生的温度极高，使物质进入一种称为夸克-胶子等离子体的特殊状态。在这种状态下，夸克和胶子不再以通常的方式被束缚在一起。

这不是普通的物质。它更接近于大爆炸后宇宙极度炽热而致密时可能存在的那种物质。

这使ALICE成为大型强子对撞机中最富诗意的实验之一。它利用深埋地下的现代机器，探索宇宙最初的瞬间。

角色: 重离子
位置: Point 2
规模: 26 m · 16 m
类别: 主要实验

ALICE重现极端物质的微小液滴，以研究早期宇宙。

当物质变得难以想象的炽热时会发生什么？

在极端温度下，物质可以进入一种称为夸克-胶子等离子体的状态。在这种状态下，夸克和胶子不再以通常的方式被锁在普通粒子内部。ALICE研究这种状态，以理解大爆炸后不久可能存在的物质。

CMS — 紧凑型强大探测器

如果说ATLAS是一位目击者，那么CMS就是用完全不同的仪器确认同一事件的第二位目击者。

CMS代表紧凑型μ子螺线管探测器。「紧凑」意味着比ATLAS小但极为密集。「μ子」是CMS尤其擅长探测的粒子。「螺线管」是探测器核心的巨大磁铁。

CMS研究与ATLAS许多相同的核心问题：希格斯玻色子、已知粒子的行为、新物理的可能迹象。但它采用完全不同的探测器设计，这种差异至关重要。

在科学中，当结果能够独立得到确认时，它就会变得更加有力。ATLAS和CMS是两个不同的目击者，用不同的仪器观察同一类型的事件。当两者一致时，科学家可以更有把握认为这个模式是真实的。

CMS强大的磁场弯曲带电粒子的路径。通过测量每个粒子弯曲的程度，科学家可以估算其动量。探测器由此成为一台精密的粒子测量机器。

角色: 通用型
位置: Point 5
规模: 21 m · 15 m
类别: 主要实验

CMS以非凡的精度帮助确认和测量粒子事件。

科学家如何知道一项发现是真实的？

当不同的实验发现相互兼容的证据时，发现就会变得更加可靠。CMS和ATLAS使用不同的探测器设计来研究类似的问题。如果两者独立观察到相同的模式，科学家就可以更有把握认为这种效应是真实的。

LHCb — 物质与反物质之谜

我们在这里，星系存在，物质存活了下来。LHCb试图理解其中的原因。

根据我们目前最好的理解，早期宇宙应该创造了几乎等量的物质和反物质。物质和反物质是镜像伙伴：当它们相遇时，可以相互湮灭。如果两者创造的数量完全相等，几乎所有的一切都可能消失在能量中。

但事实并非如此。我们在这里。星系存在。物质存活了下来。

LHCb研究物质和反物质行为之间的微小差异。这些差异是微妙的，不是戏剧性的爆炸，而是隐藏在某些粒子衰变方式中的微小不平衡。

它特别关注含有底夸克（b夸克）的粒子。通过以极高精度测量它们的衰变，科学家们寻找可以解释为什么物质获得了优于反物质的优势的规律。

与ATLAS和CMS不同，LHCb不是围绕碰撞点的大圆桶形状。它更像是一个朝前方观察的探测器，研究主要朝一个方向飞行的粒子。

角色: 前向谱仪
位置: Point 8
规模: 21 m · 10 m
类别: 主要实验

LHCb研究物质与反物质之间的微小差异，这些差异可能解释为什么任何东西都存在。

为什么物质存活了下来？

物质和反物质应该是以几乎相等的数量被创造出来的。但今天的宇宙主要是由物质构成的。LHCb研究物质和反物质行为之间的微小差异，这可能有助于解释为什么物质获得了微小的优势。

LHCf — 聆听来自太空的粒子

并非所有的粒子物理学都始于地下。其中一部分始于天空。

每天，来自宇宙的极高能量粒子撞击地球大气层。这些宇宙射线与我们头顶高处的原子碰撞，产生向地表倾泻而下的次级粒子簇射。

宇宙射线很难研究。我们无法轻易控制它们何时到来、从哪里来，或者它们究竟与什么碰撞。LHCf有助于解决这个问题。

在大型强子对撞机上，科学家可以在受控条件下创造高能碰撞。LHCf研究碰撞后沿射束方向非常接近飞行的粒子，这与宇宙射线大气簇射的运动学区域相同。这些测量改进了我们对宇宙射线撞击大气层时所发生情况的理解。

LHCf是两个世界之间的桥梁：对撞机的受控环境，以及天空中发生的剧烈、高能粒子事件。

角色: 宇宙射线研究
位置: 1号点前向
规模: 距ATLAS ±140 m
类别: 高级实验

LHCf利用大型强子对撞机的碰撞来帮助理解来自太空的宇宙射线。

地下对撞机如何帮助我们理解来自太空的粒子？

宇宙射线在地球大气层中与粒子碰撞，产生次级粒子簇射。LHCf在受控和可测量的条件下，在大型强子对撞机上研究类似的高能碰撞过程。这有助于改进描述宇宙射线行为的模型。

TOTEM — 几乎什么都没发生时的科学

有时最有趣的碰撞是最安静的那些。

当人们想象粒子碰撞时，通常会想到剧烈的撞击：粒子猛烈碰撞并爆裂成碎片。但有时最有趣的事件是最平静的。

TOTEM研究彼此非常接近地经过并以极小角度散射的质子。这些质子不会戏剧性地向外飞出。它们几乎继续直线前进，只是略微偏转。

这微小的偏转携带着重要信息。TOTEM帮助科学家研究质子如何相互作用、它们在高能量下看起来有多大，以及在碰撞的极前向区域发生了什么。它专注于大型中央探测器难以进行的测量。

这就是TOTEM的美妙之处：它表明物理学并不总是关乎壮观的事件。有时它是关于测量如此微小的东西，以至于几乎看起来什么都没有发生。

角色: 弹性散射
位置: 5号点前向
规模: Roman Pots ±220 m
类别: 高级实验

TOTEM研究微小的质子偏转，以理解高能量下的质子相互作用。

当几乎什么都没发生时，我们能学到什么？

TOTEM研究彼此接近经过后只发生轻微偏转的质子。这些微小的散射角揭示了质子在高能量下如何相互作用的信息。有时最小的偏差携带着最精确的信息。

MoEDAL-MAPP — 等待不可能的轨迹

MoEDAL-MAPP是一个耐心等待或许根本不存在的粒子的陷阱。

大型强子对撞机上的大多数探测器都是为了非常快速地记录大量事件而建造的。它们收集数据、过滤数据并寻找规律。MoEDAL-MAPP则有着不同的个性。

它寻找新物理学罕见而非常独特的迹象。其著名的搜索目标之一是假想的磁单极子。我们已知的每块磁铁都有两个磁极，北极和南极。把一块磁铁切成两半，你会得到两块更小的磁铁，每块都有两个磁极。磁单极子将是一种只有一个磁极的粒子。迄今为止从未有过确认。

MoEDAL-MAPP就像一个等待稀有和奇异粒子的耐心陷阱。它不仅仅观察普通事件的快速流，还寻找难以与其他任何东西混淆的不寻常痕迹。

这个实验告诉我们，科学也意味着仔细寻找可能根本不存在的东西，并在尚未找到时保持诚实。

角色: 奇异粒子搜索
位置: 8号点 · UA83廊道
规模: NTDs + MAPP
类别: 高级实验

MoEDAL-MAPP寻找新物理学的罕见奇异迹象。

你如何搜索从未有人见过的东西？

MoEDAL-MAPP寻找难以与普通粒子事件混淆的罕见不寻常痕迹。它被设计用来探索奇异的可能性，例如假想的磁单极子，同时注意不在证据存在之前声称发现。

FASER — 跟随隐藏的方向

并非所有的发现都在爆炸最明亮的地方。

当ATLAS这样的大型探测器内部发生碰撞时，许多粒子向外飞出。大型探测器的设计就是为了包围碰撞点并尽可能多地捕获粒子。但如果一些有趣的粒子不向外飞出呢？如果它们向前运动，几乎完全沿着束流线呢？

FASER正是为那个隐藏的方向而设计的。它寻找可能在大型强子对撞机碰撞中产生的轻型、弱相互作用粒子，这些粒子在衰变之前会向远处前行。它还研究在大型强子对撞机上产生的高能中微子。

FASER不像ATLAS或CMS那样放置在主碰撞点周围。它位于束流线下游的很远处，观察着其他探测器未优化的狭窄路径。

FASER扩展了人们对大型强子对撞机的认知。这台对撞机不仅仅是一个有大型实验的环形机器。它也是一个聪明的小型探测器可以在被忽视的地方进行搜索的环境。

角色: 前向物理
位置: 距ATLAS 480 m
规模: 1.5 m · TI12隧道
类别: 高级实验

FASER沿束流线向前观察，寻找可能逃脱主要探测器的粒子。

如果我们在别人不看的地方寻找，会发现什么？

一些粒子可能沿束流线向前行进，而不是向外飞入大型探测器。FASER被放置在这个隐藏的方向上，以搜索弱相互作用粒子并研究在大型强子对撞机上产生的高能中微子。

SND@LHC — 捕捉幽灵粒子

每秒钟有无数个中微子穿过你的身体，而你从未感觉到它们。

有些粒子难以探测，因为它们很稀有。另一些则因为它们几乎不与任何东西发生相互作用。中微子就是如此：微小的、电中性的粒子，能够几乎不受干扰地穿过巨大量的物质。

SND@LHC研究大型强子对撞机碰撞中产生的中微子。这很了不起，因为大型强子对撞机通常不被想象为中微子源。人们通常认为它是一台砸碎质子的机器。但一些碰撞也会产生中微子，这些幽灵般的粒子几乎不留痕迹地穿过物质。

一次碰撞发生。大多数粒子留下明显的轨迹。但中微子悄悄地穿过探测器世界，几乎不可能被捕获。然后，偶尔，一个中微子发生相互作用并产生可见信号。

那个罕见的信号就是学习的时刻。SND@LHC告诉我们，缺乏证据并不总是不存在的证据。有些粒子无处不在，但极难捕获。

角色: 中微子探测
位置: 距ATLAS 480 m 离轴
规模: TI18 · 离轴
类别: 高级实验

SND@LHC探测并研究在大型强子对撞机上产生的难以捉摸的中微子。

你如何捕捉一个几乎从不留下痕迹的粒子？

中微子几乎不与物质发生相互作用就穿过物质。SND@LHC等待中微子确实发生相互作用并产生可探测信号的罕见时刻。挑战不在于中微子不存在。它们只是极难捕获。

Dziewięć eksperymentów Wielkiego Zderzacza Hadronów (Polski)

Odkryj niewidzialną maszynę

Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) w CERN to superprzewodzący akcelerator cząstek o długości 27 kilometrów, biegnący wzdłuż granicy francusko-szwajcarskiej. Dwie wiązki protonów poruszają się w przeciwnych kierunkach z prędkością 99,999999% prędkości światła i krzyżują się w czterech punktach zderzeń. Ich zderzenia zasilają dziewięć eksperymentów, z których każdy zadaje inne pytanie o elementy składowe materii. Zderzacz jest w trzeciej kampanii (Run 3, od 2022), a modernizacja o wysokiej świetlności (HL-LHC) jest planowana na dalszą część dekady.

ATLAS — Wielkie oko pod ziemią

ATLAS nie patrzy w przestrzeń. Patrzy do wewnątrz, w najmniejsze struktury materii.

Głęboko pod powierzchnią, w jednym z czterech punktów kolizji Wielkiego Zderzacza Hadronów, stoi jeden z największych instrumentów naukowych, jakie kiedykolwiek zbudowano. Gdy dwie wiązki protonów zderzają się z prędkością bliską prędkości światła, energia tej kolizji może na chwilę przemienić się w nowe cząstki. Wiele z nich istnieje zaledwie przez ułamek sekundy, zanim zniknie.

ATLAS działa przez otoczenie punktu kolizji wieloma warstwami detektorów. Każda warstwa rejestruje inny rodzaj śladu: tor naładowanych cząstek, wybuchy energii lub cząstki przenikające przez niemal wszystko. Na podstawie tych śladów fizycy rekonstruują to, co zdarzyło się wewnątrz kolizji.

Dlatego właśnie ATLAS przypomina wielkie oko. Nie widzi cząstek bezpośrednio. Widzi ślady, które zostawiają.

ATLAS to detektor wielozadaniowy. Pomógł odkryć bozon Higgsa w 2012 roku, bada znane cząstki z niezwykłą precyzją i poszukuje śladów fizyki, która może wykraczać poza to, co już rozumiemy.

Rola: WIELOZADANIOWY
Lokalizacja: Point 1
Rozmiar: 46 m · 25 m
Poziom: Główny eksperyment

ATLAS pomaga naukowcom zamieniać niewidzialne zderzenia cząstek w mierzalne dowody.

Czego można się nauczyć z czegoś, co znika niemal natychmiast?

ATLAS rejestruje ślady pozostawione po kolizji. Same cząstki mogą zniknąć w ułamkach sekundy, ale ich tory, depozyty energii i produkty rozpadu pozostają mierzalne. Na podstawie tych wskazówek naukowcy odtwarzają to, co zdarzyło się w punkcie kolizji.

ALICE — Maleńka kropla wczesnego wszechświata

ALICE odtwarza na chwilę rodzaj materii, który wypełniał wszechświat tuż po Wielkim Wybuchu.

Większość materii wokół nas zbudowana jest z atomów. Wewnątrz atomów są jądra; wewnątrz jąder – protony i neutrony; a w nich – kwarki i gluony. Normalnie kwarki są uwięzione w cząstkach i nigdy nie widzimy, jak swobodnie się poruszają.

ALICE bada, co się dzieje, gdy ciężkie jądra atomowe, takie jak jony ołowiu, zderzają się przy ogromnych energiach. Zderzenia te tworzą temperatury tak wysokie, że materia wchodzi w szczególny stan zwany plazmą kwarkowo-gluonową. W tym stanie kwarki i gluony nie są już uwięzione w zwykły sposób.

To nie jest zwykła materia. Przypomina raczej materię, która mogła istnieć tuż po Wielkim Wybuchu, gdy wszechświat był ekstremalnie gorący i gęsty.

To sprawia, że ALICE jest jednym z najbardziej poetyckich eksperymentów LHC. Używa nowoczesnej maszyny, głęboko pod ziemią, by badać najwcześniejsze chwile wszechświata.

Rola: CIĘŻKIE JONY
Lokalizacja: Point 2
Rozmiar: 26 m · 16 m
Poziom: Główny eksperyment

ALICE odtwarza maleńkie krople ekstremalnej materii, aby badać wczesny wszechświat.

Co dzieje się z materią, gdy staje się niewyobrażalnie gorąca?

W ekstremalnych temperaturach materia może przejść w stan zwany plazmą kwarkowo-gluonową. W tym stanie kwarki i gluony nie są już zamknięte w zwykłych cząstkach w normalny sposób. ALICE bada ten stan, aby rozumieć materię taką, jaka mogła istnieć krótko po Wielkim Wybuchu.

CMS — Kompaktowa elektrownia

Jeśli ATLAS jest świadkiem, CMS jest drugim świadkiem, który potwierdza te same zdarzenia zupełnie innymi instrumentami.

CMS to skrót od Compact Muon Solenoid. „Compact” oznacza mniejszy niż ATLAS, ale niezwykle gęsty. „Muon” to cząstka, którą CMS wykrywa ze szczególną wydajnością. „Solenoid” to ogromny magnes w sercu detektora.

CMS bada wiele tych samych fundamentalnych pytań co ATLAS: bozon Higgsa, zachowanie znanych cząstek, ewentualne ślady nowej fizyki. Czyni to jednak przy użyciu zupełnie innej konstrukcji detektora, a ta różnica ma znaczenie.

W nauce wynik staje się o wiele mocniejszy, gdy może być potwierdzony niezależnie. ATLAS i CMS to dwaj różni świadkowie obserwujący ten sam rodzaj zdarzeń różnymi instrumentami. Gdy obaj się zgadzają, naukowcy mogą być bardziej pewni, że zaobserwowany wzorzec jest prawdziwy.

Silne pole magnetyczne CMS zakrzywia tory naładowanych cząstek. Mierząc, jak bardzo każda cząstka się ugina, naukowcy szacują jej pęd. Detektor staje się w ten sposób precyzyjną maszyną do pomiaru cząstek.

Rola: WIELOZADANIOWY
Lokalizacja: Point 5
Rozmiar: 21 m · 15 m
Poziom: Główny eksperyment

CMS pomaga potwierdzać i mierzyć zdarzenia cząstek z niezwykłą precyzją.

Skąd naukowcy wiedzą, że odkrycie jest prawdziwe?

Odkrycie staje się mocniejsze, gdy różne eksperymenty dostrzegają zgodne dowody. CMS i ATLAS używają różnych projektów detektorów do badania podobnych pytań. Jeśli oba niezależnie obserwują ten sam wzorzec, naukowcy mogą być bardziej pewni, że efekt jest rzeczywisty.

LHCb — Tajemnica materii i antymaterii

Jesteśmy tutaj, galaktyki istnieją, materia przetrwała. LHCb stara się zrozumieć dlaczego.

Według naszej najlepszej wiedzy wczesny wszechświat powinien był stworzyć materię i antymaterię w niemal równych ilościach. Materia i antymateria to lustrzane partnerki: gdy się spotkają, mogą wzajemnie unicestwić. Gdyby obie powstały w dokładnie równych ilościach, prawie wszystko mogłoby zniknąć w energii.

Ale tak się nie stało. Jesteśmy tutaj. Galaktyki istnieją. Materia przetrwała.

LHCb bada subtelne różnice w zachowaniu materii i antymaterii. Różnice te są niewielkie: nie dramatyczne wybuchy, lecz małe nierównowagi ukryte w sposobie, w jaki rozpadają się pewne cząstki.

Eksperyment skupia się szczególnie na cząstkach zawierających kwarki piękna (kwarki b). Mierząc ich rozpad z niezwykłą precyzją, naukowcy szukają wzorców, które mogą wyjaśnić, dlaczego materia zyskała przewagę nad antymaterią.

W odróżnieniu od ATLAS i CMS, LHCb nie ma kształtu ogromnej beczki otaczającej punkt zderzenia. Jest raczej detektorem skierowanym do przodu, badającym cząstki lecące głównie w jednym kierunku.

Rola: SPEKTROMETR PRZEDNI
Lokalizacja: Point 8
Rozmiar: 21 m · 10 m
Poziom: Główny eksperyment

LHCb bada drobne różnice między materią a antymaterią, które mogą wyjaśnić, dlaczego w ogóle cokolwiek istnieje.

Dlaczego materia przetrwała?

Materia i antymateria powinny były powstać w niemal równych ilościach. Jednak dzisiejszy wszechświat składa się głównie z materii. LHCb bada drobne różnice w zachowaniu materii i antymaterii, które mogą pomóc wyjaśnić, dlaczego materia uzyskała niewielką przewagę.

LHCf — Słuchając cząstek z kosmosu

Nie cała fizyka cząstek zaczyna się pod ziemią. Część z niej zaczyna się w niebie.

Każdego dnia niezwykle energetyczne cząstki z kosmosu uderzają w atmosferę Ziemi. Te promienie kosmiczne zderzają się z atomami wysoko nad nami i tworzą kaskady cząstek wtórnych, które opadają ku powierzchni.

Promienie kosmiczne są trudne do badania. Nie możemy łatwo kontrolować, kiedy docierają, skąd pochodzą ani dokładnie z czym się zderzają. LHCf pomaga rozwiązać ten problem.

Na LHC naukowcy mogą tworzyć wysokoenergetyczne zderzenia w kontrolowanych warunkach. LHCf bada cząstki lecące bardzo blisko kierunku wiązki po zderzeniu – w tym samym zakresie kinematycznym co kosmiczne kaskady atmosferyczne. Te pomiary poprawiają nasze rozumienie tego, co dzieje się, gdy promienie kosmiczne uderzają w atmosferę.

LHCf jest mostem między dwoma światami: kontrolowanym środowiskiem akceleratora a gwałtownymi, wysokoenergetycznymi zdarzeniami cząstek zachodzącymi w niebie.

Rola: PROMIENIE KOSMICZNE
Lokalizacja: Punkt 1, do przodu
Rozmiar: ±140 m od ATLAS
Poziom: Zaawansowany eksperyment

LHCf wykorzystuje zderzenia na LHC, by lepiej rozumieć promienie kosmiczne z kosmosu.

Jak podziemny akcelerator może pomóc nam zrozumieć cząstki z kosmosu?

Promienie kosmiczne zderzają się z cząstkami w atmosferze Ziemi i tworzą kaskady cząstek wtórnych. LHCf bada podobne wysokoenergetyczne procesy zderzeń na LHC, gdzie warunki są kontrolowane i mierzalne. To poprawia modele opisujące zachowanie promieni kosmicznych.

TOTEM — Nauka o tym, gdy prawie nic się nie dzieje

Czasami najciekawsze zderzenia są tymi najcichszymi.

Gdy ludzie wyobrażają sobie zderzenia cząstek, często myślą o gwałtownym uderzeniu: cząstki rozbijają się i eksplodują w odłamki. Ale czasami najciekawsze zdarzenia są spokojniejsze.

TOTEM bada protony, które mijają się bardzo blisko siebie i rozpraszają się pod niezwykle małymi kątami. Protony te nie wylatują spektakularnie na zewnątrz. Kontynuują lot prawie prosto, jedynie nieznacznie odchylone.

To małe odchylenie niesie ważne informacje. TOTEM pomaga naukowcom badać, jak oddziałują protony, jak duże wydają się przy wysokich energiach i co dzieje się w bardzo przednich rejonach zderzenia. Skupia się na pomiarach trudnych do wykonania dla dużych centralnych detektorów.

To właśnie jest pięknem TOTEM: pokazuje, że fizyka nie zawsze dotyczy spektakularnych zdarzeń. Czasem chodzi o zmierzenie czegoś tak małego, że wygląda niemal jakby nic się nie wydarzyło.

Rola: ROZPRASZANIE ELASTYCZNE
Lokalizacja: Punkt 5, do przodu
Rozmiar: Roman Pots ±220 m
Poziom: Zaawansowany eksperyment

TOTEM bada drobne odchylenia protonów, aby rozumieć oddziaływania protonów przy wysokich energiach.

Czego można się nauczyć, gdy wydaje się, że prawie nic się nie dzieje?

TOTEM bada protony, które po minięciu się z bardzo bliskiej odległości ulegają jedynie nieznacznym odchyleniom. Te maleńkie kąty rozpraszania ujawniają informacje o tym, jak protony oddziałują przy wysokich energiach. Czasami najmniejsze odchylenie niesie najbardziej precyzyjną informację.

MoEDAL-MAPP — Czekając na niemożliwy ślad

MoEDAL-MAPP to cierpliwa pułapka na cząstki, które być może w ogóle nie istnieją.

Większość detektorów na LHC jest zbudowana do rejestrowania ogromnych ilości zdarzeń bardzo szybko. Zbierają dane, filtrują je i szukają wzorców. MoEDAL-MAPP ma inny charakter.

Poszukuje niezwykłych, bardzo charakterystycznych oznak nowej fizyki. Jednym z jego słynnych celów jest hipotetyczny monopol magnetyczny. Wszystkie znane nam magnesy mają dwa bieguny: północny i południowy. Przeciąć magnes na pół – i otrzymujesz dwa mniejsze magnesy, każdy z oboma biegunami. Monopol magnetyczny byłby cząstką z tylko jednym biegunem. Żadnego nie potwierdzono.

MoEDAL-MAPP jest jak cierpliwa pułapka na rzadkie i dziwne cząstki. Zamiast obserwować tylko szybkie strumienie zwykłych zdarzeń, wypatruje niezwykłych śladów, które trudno pomylić z czymkolwiek innym.

Ten eksperyment uczy, że nauka oznacza również staranne szukanie rzeczy, które może w ogóle nie istnieją, i bycie uczciwym, gdy jeszcze ich nie znaleziono.

Rola: POSZUKIWANIE EGZOTYCZNE
Lokalizacja: Punkt 8 · galeria UA83
Rozmiar: NTDs + MAPP
Poziom: Zaawansowany eksperyment

MoEDAL-MAPP poszukuje rzadkich, egzotycznych oznak nowej fizyki.

Jak szukać czegoś, czego nikt nigdy nie widział?

MoEDAL-MAPP szuka rzadkich, niezwykłych śladów, które trudno pomylić ze zwykłymi zdarzeniami cząstek. Jest zaprojektowany do poszukiwania egzotycznych możliwości, jak hipotetyczne monopole magnetyczne, uważając, by nie ogłaszać odkrycia przed pojawieniem się dowodów.

FASER — Podążając ukrytym kierunkiem

Nie każde odkrycie można znaleźć tam, gdzie wybuch jest najjaśniejszy.

Gdy w dużym detektorze, takim jak ATLAS, dochodzi do zderzenia, wiele cząstek wylatuje na zewnątrz. Duże detektory są zbudowane tak, by otaczać punkt zderzenia i przechwytywać jak najwięcej. Ale co, jeśli część interesujących cząstek nie wylatuje na zewnątrz? Jeśli podróżują do przodu, niemal dokładnie wzdłuż osi wiązki?

FASER został zaprojektowany właśnie dla tego ukrytego kierunku. Szuka lekkich, słabo oddziałujących cząstek, które mogą powstawać w zderzeniach na LHC, a następnie daleko lecieć do przodu, zanim ulegną rozpadowi. Bada też wysokoenergetyczne neutrina produkowane na LHC.

FASER nie jest umieszczony wokół głównego punktu zderzenia jak ATLAS czy CMS. Stoi daleko w dół strumienia, obserwując wąską ścieżkę, dla której inne detektory nie są zoptymalizowane.

FASER poszerza wyobrażenie o LHC. Akcelerator to nie tylko pierścień z dużymi eksperymentami. To również środowisko, w którym sprytne, mniejsze detektory mogą poszukiwać w pomijanych miejscach.

Rola: FIZYKA DO PRZODU
Lokalizacja: 480 m od ATLAS
Rozmiar: 1,5 m · tunel TI12
Poziom: Zaawansowany eksperyment

FASER spogląda do przodu wzdłuż osi wiązki w poszukiwaniu cząstek, które mogą umknąć głównym detektorom.

Co moglibyśmy znaleźć, patrząc tam, gdzie inni nie patrzą?

Niektóre cząstki mogą podróżować do przodu wzdłuż osi wiązki, zamiast wylatywać do dużych detektorów. FASER jest umieszczony w tym ukrytym kierunku, by szukać słabo oddziałujących cząstek i badać wysokoenergetyczne neutrina produkowane na LHC.

SND@LHC — Łapanie cząstek-duchów

Co sekundę przez twoje ciało przelatują niezliczone neutrina, a ty nigdy ich nie czujesz.

Niektóre cząstki trudno wykryć, bo są rzadkie. Inne – bo prawie nie oddziałują z niczym. Neutrina są właśnie takie: maleńkie, elektrycznie obojętne cząstki, które mogą przenikać przez ogromne ilości materii prawie niezmącone.

SND@LHC bada neutrina produkowane przez zderzenia w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Jest to niezwykłe, bo LHC nie jest zwykle wyobrażany jako źródło neutrin. Często postrzegamy go jako maszynę do rozbijania protonów. Ale część zderzeń wytwarza też neutrina, a te duchowate cząstki przemierzają materię, pozostawiając bardzo mało śladów.

Dochodzi do zderzenia. Większość cząstek pozostawia wyraźne ślady. Ale neutrina przechodzą cicho przez świat detektora, niemal niemożliwe do złapania. Potem, rzadko, jedno oddziałuje i tworzy widoczny sygnał.

Ten rzadki sygnał to moment nauki. SND@LHC uczy, że brak dowodów nie zawsze jest dowodem nieobecności. Niektóre cząstki są wszędzie, ale niezwykle trudno je złapać.

Rola: DETEKCJA NEUTRIN
Lokalizacja: 480 m poza osią od ATLAS
Rozmiar: TI18 · poza osią
Poziom: Zaawansowany eksperyment

SND@LHC wykrywa i bada nieuchwytne neutrina produkowane na LHC.

Jak złapać cząstkę, która prawie nigdy nie zostawia śladu?

Neutrina przenikają przez materię z bardzo małą liczbą oddziaływań. SND@LHC czeka na rzadki moment, gdy neutrino oddziałuje i tworzy wykrywalny sygnał. Wyzwanie nie polega na tym, że neutrin brakuje. Są po prostu niezwykle trudne do złapania.

De negen experimenten van de Large Hadron Collider (Nederlands)

Verken de onzichtbare machine

De Large Hadron Collider (LHC) bij CERN is een 27 kilometer lange supergeleidende deeltjesversneller op de Frans-Zwitserse grens. Twee protonbundels bewegen in tegengestelde richtingen met 99,999999% van de lichtsnelheid en kruisen elkaar op vier interactiepunten. Hun botsingen voeden negen experimenten, die elk een andere vraag over de bouwstenen van materie stellen. De versneller is bezig met zijn derde run (Run 3, sinds 2022), met een high-luminosity-upgrade (HL-LHC) gepland voor later dit decennium.

ATLAS — Het grote oog onder de grond

ATLAS kijkt niet de ruimte in. Het kijkt naar binnen, naar de kleinste structuren van de materie.

Diep onder de oppervlakte, bij een van de vier botsningspunten van de Large Hadron Collider, staat een van de grootste wetenschappelijke instrumenten die ooit zijn gebouwd. Wanneer twee protonenbundels met bijna de snelheid van het licht botsen, kan de energie van die botsing zich kort omzetten in nieuwe deeltjes. Velen bestaan slechts een minuscuul deel van een seconde voor ze verdwijnen.

ATLAS werkt door het botsingspunt te omhullen met vele lagen detectoren. Elke laag registreert een ander soort spoor: het pad van geladen deeltjes, energieuitbarstingen, of deeltjes die bijna alles doordringen. Uit deze sporen reconstrueren fysici wat er in de botsing is gebeurd.

Dat is waarom ATLAS aanvoelt als een groot oog. Het ziet de deeltjes niet direct. Het ziet het bewijs dat ze achterlaten.

ATLAS is een universele detector. Het hielp het Higgs-boson te ontdekken in 2012, bestudeert bekende deeltjes in extreem detail en zoekt naar tekenen van fysica die verder kan gaan dan wat we al begrijpen.

Rol: ALGEMEEN
Locatie: Point 1
Omvang: 46 m · 25 m
Niveau: Hoofdexperiment

ATLAS helpt wetenschappers om onzichtbare deeltjesbotsingen om te zetten in meetbaar bewijs.

Wat kunnen we leren van iets dat bijna onmiddellijk verdwijnt?

ATLAS registreert de sporen die na een botsing achterblijven. De deeltjes zelf kunnen verdwijnen in fracties van een seconde, maar hun paden, energiedeposities en vervalsproducten blijven meetbaar. Uit deze aanwijzingen reconstrueren wetenschappers wat er op het botsingspunt is gebeurd.

ALICE — Een piepklein druppeltje van het vroege heelal

ALICE herschept, voor een fractie van een seconde, het soort materie dat het heelal direct na de oerknal vulde.

De meeste materie om ons heen bestaat uit atomen. In atomen zitten kernen; in kernen protonen en neutronen; en daarin quarks en gluonen. Normaal gesproken zitten quarks opgesloten in deeltjes en zien we ze nooit vrij rondgaan.

ALICE bestudeert wat er gebeurt als zware atoomkernen, zoals loodionen, botsen met enorme energieën. Deze botsingen creëren temperaturen zo hoog dat materie een bijzondere toestand ingaat genaamd quark-gluonplasma. In die toestand zijn quarks en gluonen niet meer op de gebruikelijke manier opgesloten.

Dit is geen gewone materie. Het lijkt meer op het soort materie dat direct na de oerknal kan hebben bestaan, toen het heelal extreem heet en dicht was.

Dat maakt ALICE een van de meest poëtische experimenten bij de LHC. Het gebruikt een moderne machine, diep ondergronds, om de vroegste momenten van het heelal te onderzoeken.

Rol: ZWARE IONEN
Locatie: Point 2
Omvang: 26 m · 16 m
Niveau: Hoofdexperiment

ALICE herschept piepkleine druppeltjes extreme materie om het vroege heelal te bestuderen.

Wat gebeurt er met materie als die onvoorstelbaar heet wordt?

Bij extreme temperaturen kan materie een toestand ingaan die quark-gluonplasma heet. In die toestand zijn quarks en gluonen niet meer opgesloten in gewone deeltjes op de gebruikelijke manier. ALICE bestudeert deze toestand om te begrijpen hoe materie er kort na de oerknal uit kan hebben gezien.

CMS — De compacte krachtpatser

Als ATLAS een getuige is, dan is CMS een tweede getuige die dezelfde gebeurtenissen bevestigt met volledig andere instrumenten.

CMS staat voor Compact Muon Solenoid. 'Compact' betekent kleiner dan ATLAS maar extreem dicht. 'Muon' is een deeltje dat CMS bijzonder goed kan detecteren. 'Solenoid' is de enorme magneet in het hart van de detector.

CMS onderzoekt veel van dezelfde grote vragen als ATLAS: het Higgsboson, het gedrag van bekende deeltjes, mogelijke tekenen van nieuwe natuurkunde. Maar het doet dat met een heel ander detectorontwerp, en dat verschil is belangrijk.

In de wetenschap wordt een resultaat veel sterker als het onafhankelijk bevestigd kan worden. ATLAS en CMS zijn twee verschillende getuigen die hetzelfde soort gebeurtenis observeren met verschillende instrumenten. Als beide het eens zijn, kunnen wetenschappers er meer vertrouwen in hebben dat het patroon echt is.

Het krachtige magneetveld van CMS buigt de paden van geladen deeltjes. Door te meten hoe sterk elk deeltje wordt gebogen, schatten wetenschappers de impuls ervan. De detector wordt zo een nauwkeurige deeltjesmeetmachine.

Rol: ALGEMEEN
Locatie: Point 5
Omvang: 21 m · 15 m
Niveau: Hoofdexperiment

CMS helpt deeltjesgebeurtenissen te bevestigen en te meten met buitengewone precisie.

Hoe weten wetenschappers dat een ontdekking echt is?

Een ontdekking wordt sterker als verschillende experimenten compatibel bewijs vinden. CMS en ATLAS gebruiken verschillende detectorontwerpen om vergelijkbare vragen te bestuderen. Als beide onafhankelijk hetzelfde patroon waarnemen, kunnen wetenschappers er meer vertrouwen in hebben dat het effect echt is.

LHCb — Het mysterie van materie en antimaterie

We zijn hier, melkwegstelsels bestaan, materie heeft het overleefd. LHCb probeert te begrijpen waarom.

Volgens ons beste begrip had het vroege heelal materie en antimaterie in vrijwel gelijke hoeveelheden moeten aanmaken. Materie en antimaterie zijn spiegelpartners: als ze elkaar ontmoeten, kunnen ze elkaar vernietigen. Als beide in precies gelijke hoeveelheden waren aangemaakt, had vrijwel alles in energie kunnen verdwijnen.

Maar dat is niet wat er gebeurde. We zijn hier. Melkwegstelsels bestaan. Materie heeft het overleefd.

LHCb bestudeert kleine verschillen tussen het gedrag van materie en antimaterie. Deze verschillen zijn subtiel: geen dramatische explosies, maar kleine onevenwichtigheden verborgen in de manier waarop bepaalde deeltjes vervallen.

Het richt zich vooral op deeltjes met beauty-quarks (b-quarks). Door hun verval met extreme precisie te meten, zoeken wetenschappers naar patronen die kunnen verklaren waarom materie een voorsprong op antimaterie heeft gekregen.

Anders dan ATLAS en CMS heeft LHCb niet de vorm van een grote ton rondom het botsingsmoment. Het is meer een voorwaarts gerichte detector die deeltjes bestudeert die voornamelijk in één richting vliegen.

Rol: VOORWAARTSE SPECTROMETER
Locatie: Point 8
Omvang: 21 m · 10 m
Niveau: Hoofdexperiment

LHCb bestudeert kleine materie-antimaterieverschillen die kunnen verklaren waarom er überhaupt iets bestaat.

Waarom heeft materie het overleefd?

Materie en antimaterie zouden in vrijwel gelijke hoeveelheden zijn aangemaakt. Maar het huidige heelal bestaat voornamelijk uit materie. LHCb bestudeert kleine gedragsverschillen tussen materie en antimaterie die kunnen helpen verklaren waarom materie een klein voordeel heeft gekregen.

LHCf — Luisteren naar deeltjes uit de ruimte

Niet alle deeltjesfysica begint ondergronds. Een deel ervan begint in de lucht.

Elke dag treffen extreem energetische deeltjes uit de kosmos de atmosfeer van de aarde. Deze kosmische stralen botsen met atomen hoog boven ons en creëren douches van secundaire deeltjes die naar het oppervlak regenen.

Kosmische stralen zijn moeilijk te bestuderen. We kunnen niet gemakkelijk controleren wanneer ze aankomen, waar ze vandaan komen of precies waarmee ze botsen. LHCf helpt dit probleem aan te pakken.

Bij de LHC kunnen wetenschappers hogeenergiebotsingen onder gecontroleerde omstandigheden creëren. LHCf bestudeert deeltjes die na een botsing heel dicht bij de bundelrichting vliegen, hetzelfde kinematische gebied als kosmische luchtdouches. Deze metingen verbeteren ons begrip van wat er gebeurt als kosmische stralen de atmosfeer raken.

LHCf is een brug tussen twee werelden: de gecontroleerde omgeving van een botsingsmachine en de wilde, hogeenergetische deeltjesgebeurtenissen die in de lucht plaatsvinden.

Rol: KOSMISCHE STRALING
Locatie: Punt 1, voorwaarts
Omvang: ±140 m van ATLAS
Niveau: Geavanceerd experiment

LHCf gebruikt LHC-botsingen om kosmische straling uit de ruimte beter te begrijpen.

Hoe kan een ondergrondse botsingsmachine ons helpen deeltjes uit de ruimte te begrijpen?

Kosmische stralen botsen met deeltjes in de atmosfeer van de aarde en creëren douches van secundaire deeltjes. LHCf bestudeert vergelijkbare hogeenergiebotsingsprocessen bij de LHC, waar de omstandigheden gecontroleerd en meetbaar zijn. Dit helpt de modellen voor kosmische-stralingsgedrag te verbeteren.

TOTEM — De wetenschap van bijna niets

Soms zijn de meest interessante botsingen de stilste.

Als mensen zich deeltjesbotsingen voorstellen, denken ze vaak aan een hevige crash: deeltjes die botsen en in stukken uiteenvallen. Maar soms zijn de meest interessante gebeurtenissen de rustigste.

TOTEM bestudeert protonen die heel dicht bij elkaar langsgaan en verstrooien onder extreem kleine hoeken. Deze protonen vliegen niet dramatisch naar buiten. Ze gaan vrijwel rechtdoor, slechts licht afgebogen.

Die kleine afbuiging bevat belangrijke informatie. TOTEM helpt wetenschappers te bestuderen hoe protonen wisselwerken, hoe groot ze lijken bij hoge energieën en wat er in de meest voorwaartse gebieden van een botsing gebeurt. Het richt zich op metingen die moeilijk zijn voor de grote centrale detectoren.

Dat is de schoonheid van TOTEM: het laat zien dat natuurkunde niet altijd gaat over spectaculaire gebeurtenissen. Soms gaat het om het meten van iets zo kleins dat het bijna lijkt alsof er niets is gebeurd.

Rol: ELASTISCHE VERSTROOIING
Locatie: Punt 5, voorwaarts
Omvang: Roman Pots ±220 m
Niveau: Geavanceerd experiment

TOTEM bestudeert kleine protonenafbuigingen om proton-wisselwerkingen bij hoge energie te begrijpen.

Wat kunnen we leren als er bijna niets lijkt te gebeuren?

TOTEM bestudeert protonen die slechts licht zijn afgebogen na dicht langs elkaar te zijn gegaan. Deze kleine verstrooiingshoeken onthullen informatie over hoe protonen bij hoge energie wisselwerken. Soms draagt de kleinste afwijking de meest precieze informatie.

MoEDAL-MAPP — Wachten op het onmogelijke spoor

MoEDAL-MAPP is een geduldige val voor deeltjes die misschien helemaal niet bestaan.

De meeste detectoren bij de LHC zijn gebouwd om enorme aantallen gebeurtenissen heel snel te registreren. Ze verzamelen data, filteren die en zoeken naar patronen. MoEDAL-MAPP heeft een andere persoonlijkheid.

Het zoekt naar ongewone, zeer karakteristieke tekenen van nieuwe natuurkunde. Een van zijn bekende doelwitten is het hypothetische magnetische monopole. Alle magneten die we kennen hebben twee polen, noord en zuid. Snij een magneet doormidden en je krijgt twee kleinere magneten, elk met beide polen. Een magnetisch monopole zou een deeltje zijn met maar één pool. Geen enkel is ooit bevestigd.

MoEDAL-MAPP is als een geduldige val voor zeldzame en vreemde deeltjes. In plaats van alleen snelle stromen van gewone gebeurtenissen te bekijken, zoekt het naar ongewone sporen die moeilijk te verwarren zijn met iets anders.

Dit experiment leert dat wetenschap ook betekent zorgvuldig zoeken naar dingen die misschien helemaal niet bestaan, en eerlijk zijn als ze nog niet gevonden zijn.

Rol: EXOTISCH ONDERZOEK
Locatie: Punt 8 · UA83-galerij
Omvang: NTDs + MAPP
Niveau: Geavanceerd experiment

MoEDAL-MAPP zoekt naar zeldzame, exotische tekenen van nieuwe natuurkunde.

Hoe zoek je naar iets wat niemand ooit heeft gezien?

MoEDAL-MAPP zoekt naar zeldzame, ongewone sporen die moeilijk te verwarren zijn met gewone deeltjesgebeurtenissen. Het is ontworpen om exotische mogelijkheden te zoeken, zoals hypothetische magnetische monopolen, en zorgvuldig om geen ontdekking op te eisen voordat er bewijs is.

FASER — De verborgen richting volgen

Niet elke ontdekking wordt gevonden waar de explosie het felst is.

Als er een botsing plaatsvindt in een grote detector zoals ATLAS, vliegen veel deeltjes naar buiten. De grote detectoren zijn gebouwd om het botsingsmoment te omgeven en zo veel mogelijk op te vangen. Maar wat als sommige interessante deeltjes niet naar buiten vliegen? Als ze naar voren reizen, bijna exact langs de bundellijn?

FASER is ontworpen voor die verborgen richting. Het zoekt naar lichte, zwak-wisselwerkende deeltjes die kunnen worden geproduceerd bij LHC-botsingen en dan ver naar voren reizen voordat ze vervallen. Het bestudeert ook hogeenergetische neutrino's geproduceerd bij de LHC.

FASER staat niet rondom de hoofdbotsing zoals ATLAS of CMS. Het staat ver stroomafwaarts en bewaakt een smal pad dat andere detectoren niet zijn geoptimaliseerd om te zien.

FASER vergroot het mentale beeld van de LHC. De botsingsmachine is niet alleen een ring met grote experimenten. Het is ook een omgeving waar slimme kleinere detectoren kunnen zoeken op over het hoofd geziene plaatsen.

Rol: VOORWAARTSE FYSICA
Locatie: 480 m van ATLAS
Omvang: 1,5 m · TI12-tunnel
Niveau: Geavanceerd experiment

FASER kijkt voorwaarts langs de bundellijn naar deeltjes die de hoofddetectoren kunnen ontsnappen.

Wat zouden we kunnen vinden door te kijken waar anderen niet kijken?

Sommige deeltjes kunnen naar voren reizen langs de bundellijn in plaats van naar buiten te vliegen in de grote detectoren. FASER staat in deze verborgen richting om te zoeken naar zwak-wisselwerkende deeltjes en hogeenergetische neutrino's geproduceerd bij de LHC te bestuderen.

SND@LHC — Spookdeeltjes vangen

Talloze neutrino's gaan elke seconde door je lichaam, en je voelt ze nooit.

Sommige deeltjes zijn moeilijk te detecteren omdat ze zeldzaam zijn. Andere omdat ze nauwelijks met iets wisselwerken. Neutrino's zijn zo: kleine, elektrisch neutrale deeltjes die enorme hoeveelheden materie bijna ongestoord kunnen doordringen.

SND@LHC bestudeert neutrino's geproduceerd door botsingen bij de Large Hadron Collider. Dit is opmerkelijk, want de LHC wordt gewoonlijk niet gezien als een neutrino-bron. Mensen denken er vaak aan als een machine om protonen kapot te slaan. Maar sommige botsingen produceren ook neutrino's, en deze spookachtige deeltjes reizen door materie met zeer weinig spoor.

Een botsing vindt plaats. De meeste deeltjes laten duidelijke sporen achter. Maar neutrino's gaan stilletjes door de detectorwereld, bijna onmogelijk om te vangen. Dan, zelden, wisselwerkt er één en maakt een zichtbaar signaal.

Dat zeldzame signaal is het leermoment. SND@LHC leert dat afwezigheid van bewijs niet altijd bewijs van afwezigheid is. Sommige deeltjes zijn overal, maar zijn uiterst moeilijk te vangen.

Rol: NEUTRINO-DETECTIE
Locatie: 480 m uit de as van ATLAS
Omvang: TI18 · uit de as
Niveau: Geavanceerd experiment

SND@LHC detecteert en bestudeert ongrijpbare neutrino's geproduceerd bij de LHC.

Hoe vang je een deeltje dat bijna nooit een spoor achterlaat?

Neutrino's doordringen materie met zeer weinig wisselwerking. SND@LHC wacht op het zeldzame moment dat een neutrino wél wisselwerkt en een detecteerbaar signaal maakt. De uitdaging is niet dat neutrino's afwezig zijn. Ze zijn simpelweg uiterst moeilijk te vangen.