대형강입자충돌기(Large Hadron Collider, 약자로 LHC)는 유럽핵연구센터(CERN)에서 건설한 입자가속충돌기로 스위스 제네바 근처에 있다. 이 가속기는 1998년부터 2008년까지 100개국 이상의 나라에서 10,000명 이상의 과학자와 공학자가 공동으로 건설하였다.

이 가속기는 지하 175 미터 아래에 둘레가 27 킬로미터인 터널 안에 있다. 본래 이 터널은 거대 전자-양전자 충돌기(Large Electron-positron Collider, LEP)가 쓰던 공간이었는데, 터널 지름이 3 미터이며 스위스와 프랑스 국경에 걸쳐 있다. 충돌기는 지하에 있고, 충돌기 위 지상에 있는 많은 건물은 압축기, 통풍시설, 전자제어, 플랜트 냉각 등 보조적인 구실을 하고 있다.

충돌기 터널에는 양성자 빔이 지나가는 2개의 파이프가 들어 있으며, 각 파이프는 액체 헬륨으로 냉각되는 초전도 자석으로 둘러싸여 있다. 2개의 파이프를 지나는 양성자 빔은 서로 터널의 정반대 방향으로 움직인다. 여러 개의 추가 자석들은 빔이 4개의 교차점으로 가도록 빔을 조정하는 역할을 하며, 이 교차점에서 입자들 사이의 충돌이 일어나게 된다.

이 가속기는 2010년 3월 30일에서 2013년 2월 13일까지 7 TeV의 에너지로 처음 가동되었다. 2015년 5월에 재가동되었을 때에는 에너지가 13 TeV로 인류가 얻을 수 있는 최고 에너지로 충돌시킬 수 있게 되었다.

그림 1. 대형 강입자 충돌기의 내부(출처: ⇒ )

충돌기 내의 각 양성자는 7 TeV의 에너지까지 가속되며, 따라서 두 개의 양성자가 부딪힐 때의 충돌 에너지는 14 TeV가 된다. 각 양성자가 충돌기 내부를 1회전하는 데는 약 90 마이크로초가 걸리며, 한 번에 대략 2,800개 가량의 양성자를 발사하므로, 입자들 사이의 충돌은 최소한 25 나노초의 간격을 두고 일어나게 된다. 가동 초기에는 한 번에 보다 적은 수의 입자를 발사하여, 충돌 사이의 간격이 최소한 75 나노초가 되도록 한다.

주 가속기로 들어가기 전에 입자들은 여러 단계에 걸쳐 에너지가 올라가게 된다. 첫 번째로, 선형 가속기인 Linac2가 양성자의 에너지를 50 MeV까지 올려서 양성자 싱크로트론 증폭기(Proton SynchrotronBooster, PSB)로 보낸다. 여기에서 1.4 GeV에 도달한 양성자는 양성자 싱크로트론(Proton Synchrotron, PS)에서 26 GeV로 가속된다. 저에너지 주입 링(Low-Energy Injector Ring, LEIR)은 이온의 저장 및 감속 장소로 사용된다. 반양성자 감속기(Antiproton Decelerator, AD)는 3.57 GeV에서 2 GeV로 감속된 반양성자 빔을 생성하며, 마지막으로 슈퍼 양성자 싱크로트론(Super Proton Synchrotron, SPS)는 양성자의 에너지를 450 GeV까지 올린다.

총 6개의 검출기가 지하에 있는 LHC의 교차점에 설치되어 있다. 그 중 ATLAS와 CMS는 일반적인 용도의 대형 검출기이며, 나머지 LHCb, ALICE, TOTEM, 및 LHCf는 그보다 크기가 작으며 특수한 목적을 위해 쓰인다. LHC는 또한 납을 비롯한 중이온을 충돌시킬 수 있는데, 이때의 충돌에너지로 1,150 TeV가 나오게 된다.

물리학자들은 LHC를 통해 다음 문제들에 대한 해답을 얻기를 기대하고 있다

1. 약전자기 대칭은 어떻게 깨지는가? 표준 모형에서 예측하는 히그스 메커니즘에 의한 것인가? 그렇다면, 히그스 보손의 질량은 무엇인가? (현재 히그스 보손의 질량에 대한 해답은 얻었다.)

2. 표준 모형이 중입자 질량의 비를 정밀히 예측하는가? 아니라면, 표준 모형을 어떻게 확장하여야 하는가?

3. 초대칭이 존재하는가? 초대칭이 예측하는 추가 입자 (초짝입자)가 존재하는가?

4. 왜 물질과 반물질 사이에 명백한 비대칭이 있는 것인가? (CP 파괴)

5. 끈 이론 등에 의해 예측된 추가 차원이 실재하는가?

6. 암흑 물질은 무엇으로 이루어진 것인가? 암흑 에너지의 정체는 무엇인가?

7. 왜 중력이 다른 상호작용에 비해 터무니없이 약한가? (계층 문제)

대형 강입자 충돌기의 목표는 입자물리, 고에너지의 여러 다른 이론의 예측을 검증하는 것이다. 특히 히그스 입자의 성질과 초대칭이론 및 다른 이론에서 예측하는 많은 새로운 입자를 관측하고자 하는 것이다. 이를 통해 물리법칙에 대한 이해를 증진시키려고 한다.