**大型强子对撞机（LHC）**是欧洲核子研究组织的一台环形粒子加速器，位于日内瓦附近的法国与瑞士边境。其环形隧道周长约27千米，装置将沿相反方向运行的粒子束加速，并使其在实验设施所在的位置发生碰撞。它是世界上规模最大、能量最高的粒子加速器，主要用于质子碰撞，也可用于重原子核碰撞。其上的实验旨在研究粒子物理学、检验标准模型，并寻找超出这一理论的新现象。(home.web.cern.ch)
加速器的设计与运行
大型强子对撞机使用的地下隧道最初是为大型正负电子对撞机建造的。两束粒子分别在独立的真空管道中沿相反方向循环运行，速度接近光速。质子属于强子，是由夸克和胶子组成的复合粒子。在高能质子碰撞中，参与基本相互作用的是这些组成粒子，而不是两个不可分割的整体。因此，单次组成粒子碰撞可利用的能量并不固定，通常低于质子—质子碰撞的总能量。(cds.cern.ch)
粒子束由利用超导现象的磁体引导。整台装置包含1,232个主二极磁体，用于使粒子束沿环形轨道偏转，以及392个主四极磁体，用于聚焦粒子束。主磁体系统在1.9开尔文的温度下运行，由采用超流氦的低温技术设备维持这一温度。强磁场控制粒子的运动轨迹，但不提供加速所需的能量。(home.web.cern.ch)
质子先经过欧洲核子研究组织的注入加速器，随后以450吉电子伏特（GeV）的能量成束团进入大型强子对撞机。射频腔施加振荡电场，使质子每绕行一圈都增加能量。设计能量为每束质子束7太电子伏特（TeV），对应的质子—质子正面碰撞能量为14 TeV。随着加速器逐步完成调试和升级，实际运行能量也分阶段提高。(home.cern)
发展与运行历史
大型强子对撞机源于20世纪80年代开展的研究，当时的设想是在现有隧道内建设一台高能质子对撞机。2008年9月10日，首批粒子束开始在环内运行。不久后，一次电气故障损坏了部分超导磁体系统，装置因此停机维修；粒子束运行于2009年11月恢复。2010年，加速器开始持续开展高能物理实验，质子—质子碰撞能量为7 TeV。(atlas.cern)
加速器的运行分为若干运行期，各运行期之间停机进行维护和改进。第一运行期提供了发现希格斯玻色子所用的数据。第二运行期于2015年6月3日开始开展物理实验，碰撞能量为13 TeV。第三运行期于2022年7月5日开始采集碰撞数据，碰撞能量为13.6 TeV，相当于每束粒子束6.8 TeV。第三运行期于2026年6月27日结束，随后进入称为“第三次长期停机”的重大升级阶段。(home.cern)
实验与探测
对撞机与探测器是不同的系统：加速器提供粒子碰撞，实验合作团队则建造和运行测量碰撞产物的仪器。四项主要实验分别设在不同的碰撞点。ATLAS实验和CMS实验都是通用型实验，科学目标有所重叠，但采用不同的技术设计。两者独立进行测量，使重要结果能够得到交叉验证。(home.cern)
ALICE实验专门研究重离子物理，尤其关注铅核碰撞中产生的物质。LHCb实验研究含有底夸克和粲夸克的粒子，包括这些粒子的衰变，以及物质与反物质之间的差异。ATLAS和CMS的探测器几乎包围整个碰撞区域，而LHCb主要探测从碰撞区域向前运动的粒子。此外，还有一些规模较小的实验研究其他专门的物理现象。(home.cern)
探测器由径迹探测系统、测量能量的量能器、粒子鉴别仪器及其他子系统组成。带电粒子的轨迹会在磁场中弯曲，因此可以据此测量其动量。寿命很短的粒子通常无法直接观测，而是通过其衰变产物重建出来。电子触发系统从连续发生的碰撞中筛选出可能具有研究价值的事例，供存储和分析。(home.cern)
科学研究计划与成果
2012年7月4日，ATLAS和CMS宣布发现一种新粒子，其性质与希格斯玻色子相符，质量约为125 GeV。后续测量确认了它的身份，并研究了它与其他粒子的相互作用。这些研究检验了希格斯机制，该机制与希格斯场及基本粒子质量的起源有关。这一发现并不意味着实验计划已经完成：精密测量仍可能揭示偏离标准模型预测的现象。(home.cern)
重离子碰撞会产生夸克—胶子等离子体，在这种物态中，夸克和胶子不再被禁闭在单个强子内部。研究人员考察其集体运动，以及高能粒子穿过这种物质时损失的能量。这些测量旨在探索极端条件下的量子色动力学，即描述强相互作用的理论；这些条件在某些方面类似于早期宇宙。(home.cern)
大型强子对撞机也用于寻找新粒子和可能的暗物质候选粒子。对于无法被探测器直接观测的粒子，研究人员会根据测得的动量不平衡来推断其存在，而不是依靠直接探测到的径迹。这类信号需要与已知物理过程及探测器效应进行仔细比较；未能找到信号只能限制某些特定模型，而不能排除对暗物质的所有可能解释。(home.web.cern.ch)
计算与高亮度升级
碰撞数据的分析依赖全球大型强子对撞机计算网格。这一分布式计算基础设施将欧洲核子研究组织与世界各地的研究中心连接起来，为碰撞记录、模拟和科学分析提供存储与计算资源，使合作研究人员能够在实验室之外使用这些数据。(home.cern)
高亮度大型强子对撞机升级项目计划于2030年年中开始运行。其主要目标是提高积分亮度，即随时间累积的碰撞曝光量，而不是大幅提高碰撞能量。该项目的目标是使积分亮度达到原始设计的十倍。新的加速器部件以及经过大规模升级的ATLAS和CMS探测器，将用于支持更精确的希格斯玻色子测量，并寻找极其罕见的物理过程。(home.cern)