大型强子对撞机(LHC) 是世界上最大、最强的粒子对撞机和最大的机器。 它由欧洲核研究组织(CERN)于1998年至2008年间与10000多名科学家、数百所大学和实验室以及100多个国家合作建造。[1] 它位于一个圆周为27公里的圆形隧道内，深约175米（574英尺），在日内瓦附近的法国-瑞士边界之下。
第一次对撞发生在2010年，能量为每束3.5 万亿电子伏(TeV)，约为先前世界纪录的四倍。[2] 升级后，它达到每束6.5 TeV(总碰撞能量13 TeV，目前的世界纪录)。[3][4][5] 2018年底，该设备进入了为期两年的维护期，以便进一步升级。
对撞机有四个交叉点，周围有七个探测器，每个都是为特定种类的研究而设计的。LHC主要对撞质子束，但它也可以使用重离子束：铅-铅对撞和质子-铅对撞，这通常每年进行一个月。LHC探测器的目的是让物理学家测试不同粒子物理理论的预测，包括测量希格斯玻色子的性质[6] ，寻找超对称理论预测的一大类新粒子，[7] 以及其他尚未解决的物理问题。
物理学家希望大型强子对撞机将有助于回答物理学中一些基本的开放问题，这些问题涉及控制基本物体之间相互作用和作用力的基本定律、空间和时间的深层结构，特别是量子力学和广义相对论之间的相互关系。
此外，也需要来自高能粒子实验的数据来表明当前科学模型的哪些版本更有可能是正确的——特别是在标准模型和没有希格斯机制的模型之间进行选择，并验证它们的预测，以便于进一步的理论发展。许多理论学家预计，标准模型之外的新物理将在TeV能级出现，因为标准模型似乎并不令人满意。由LHC碰撞探索的问题包括:[11][12]
使用高能粒子碰撞可以探索的其他未决问题:
LHC是世界上最大、能量最高的粒子加速器。[24] 对撞机被装在一个圆形隧道里，周长为26.7公里（16.6英里，地下深度范围从 50 米到 175 米（164 英尺到 574 英尺） 。
1983年至1988年间修建的直径 3.8 米（12英尺）的宽混凝土衬砌隧道，曾被用于容纳大型电子正子对撞机。[25] 它在四个地方跨越瑞士和法国的边界，大部分在法国。地面建筑装有辅助设备，如压缩机、通风设备、控制电子设备和制冷设备。
对撞机隧道包含两条相邻的平行束线(或 束管) 每一个都包含一个绕着环以相反方向传播的粒子束。 粒子束在环的四个点相交，这是粒子碰撞发生的地方。 1232个偶极磁铁约束粒子束在圆形路径上(见图[26])，而附加的392个四极磁铁用于保持粒子束聚焦，在交叉点附近使用更强的四极磁铁，以最大化两束粒子交叉时的相互作用概率。更高阶的磁铁被用来修正磁场几何中较小的缺陷。总共大约有10000个超导磁体被安装，其中偶极磁铁质量超过27吨。 大约需要96吨超流体氦-4来保持由包铜的铌钛合金制成的磁体的工作温度为1.9K（-271.25 °C），使之成为世界上液氦温度下最大的低温设施。在LHC运行期间，欧洲核子研究中心从法国电网获取大约200兆瓦的电力，相比之下，这大约是日内瓦市能耗的三分之一；LHC加速器和探测器消耗大约120兆瓦能量。[27]
当以每质子6.5 TeV的当前能量记录运行时，[28] 一天一到两次，质子从450GeV加速至6.5 TeV，超导偶极磁体的磁场将从0.54 T 增加到 7.7 T。质子各自的能量为6.5 TeV，总碰撞能量为13 TeV。在这种能量下，质子的洛伦兹因子值约为6930，移动速度约为 0.999999990 c，或者比光速（c）慢 3.1 m/s (11 km/h) 。质子环绕26.7km的主环只需要不到 90微秒 (μs) 。无论主环中的粒子能量是高是低，质子的转速都是每秒11245转，因为这些能量之间的速度差超过了小数点后第五位。[29]
质子不是连续的束，而是聚集在一起，形成 2808个粒子团，每个粒子团中有115亿个质子，因此两束之间以离散的间隔发生相互作用。主要相隔 25纳秒（ns），提供 40 MHz 的碰撞率。在最初几年，它用较少的粒子束进行操作。LHC的设计亮度是1034 cm−2s−1,[30] 这于2016年6月首次达成。 到2017年，这一数值翻了一番。
在被注入主加速器之前，粒子是由一系列连续增加能量的系统制备的。第一个系统是直线粒子加速器LINAC 2，它产生50兆电子伏（MeV）的质子，然后由“质子同步推进器”(PSB)提供能量。质子在那里被加速到1.4 GeV并注入到质子同步加速器，在那里它们被加速到26 GeV。最后，在它们最终被注入主环之前(经过几分钟的时间)，使用超级质子同步加速器(SPS)将它们的能量进一步增加到450 GeV。在这里质子束被积累、加速（超过20分钟）到它们的峰值能量，最后循环5到 24小时， 碰撞则发生在四个交叉点。
LHC物理学项目主要基于质子-质子碰撞。然而，较短的运行周期，通常每年一个月，重离子碰撞也包括在该计划中。虽然较轻的离子也被考虑在内，但基线方案处理的是铅离子[31] (见大离子对撞机实验)。铅离子首先被直线粒子加速器LINAC 3加速，低能离子环(LEIR)被用作离子存储和冷却单元。离子在注入LHC环之前被PS和SPS进一步加速，达到每核子2.3 TeV(或每离子522 TeV)的能量，[32] 高于相对论性重离子对撞机所达到的能量。重离子计划的目的是调查早期宇宙中存在的夸克胶子等离子体。
七个探测器已经在LHC建造，位于地下的大洞穴中，在LHC的交叉点放置。其中两个，即超环面仪器（ ATLAS）和紧凑缈子线圈（CMS），是大型通用粒子探测器。[24] 大型离子对撞机实验（ALICE）和 LHC底夸克侦测器（LHCb）有更具体的角色，而最后三个，全截面弹性散射侦测器（TOTEM），LHC磁单极子与奇异物质探测器（MoEDAL）和LHC前向实验（LHCf），非常小，用于非常专业的研究。ATLAS和CMS实验发现了希格斯玻色子，这有力地证明了标准模型具有给基本粒子赋予质量的正确机制。
英国广播公司对主要探测器的总结如下:
| Detector | Description |
|---|---|
| 超环面仪器（ATLAS） | 两个通用探测器之一。ATLAS研究希格斯玻色子，寻找新物理学的迹象，包括质量和额外维度的起源。 |
| 紧凑缈子线圈（CMS） | 另一种通用探测器，和ATLAS一样，研究希格斯玻色子并寻找新的物理线索。 |
| 大型离子对撞机实验（ALICE） | ALICE研究一种叫做夸克胶子等离子体的“流体”物质，这种物质存在于大爆炸后很短的时间内。 |
| LHC底夸克侦测器（LHCb） | 宇宙大爆炸中产生了等量的物质和反物质。LHCb研究“失踪”的反物质发生了什么。 |
据估计，由LHC产生的数据以及与LHC相关的模拟每年约为15pb(运行时的最大吞吐量未说明)[33]这本身就是当时的一个重大挑战。
LHC计算网格[34] 是作为LHC设计的一部分建造的，用于处理碰撞预期的大量数据。这是一个国际合作项目，由基于网格的计算机网络基础设施组成，最初连接35个国家的140个计算中心(36个国家的170多个计算中心 截至2012 年)。它是欧洲核子研究组织设计的，用于处理由LHC实验产生的大量数据，[35][36][36] 结合了私有光缆链路和公共互联网的现有高速部分，使得数据能够从CERN传输到世界各地的学术机构。[37] 开放科学网格被用作美国的主要基础设施，也是与LHC计算网格互操作联盟的一部分。
分布式计算项目LHC@home开始支持LHC的建设和校准。该项目使用BOINC平台，使任何有互联网连接和运行苹果OS X、Windows或Linux的计算机的人都可以利用他们计算机的空闲时间来模拟粒子如何在束管中传播。有了这些信息，科学家们能够确定如何校准磁铁，以获得环中光束最稳定的“轨道”。[38] 2011年8月，第二个应用程序开始运行(Test4Theory)，它执行模拟，并与实际测试数据进行比较，以确定结果的可信度。
到2012年，已经分析了超过6千万亿次(6 x 1015) LHC质子-质子碰撞的数据，[39] 在2012年，LHC计算网格已经成为世界上最大的计算网格，由遍布36个国家的全球网络中的170多个计算设施组成。[40][41][42]
LHC于2008年9月10日首次投入使用，[43] 但由于磁体失超事件导致50多块超导磁体及其安装件和真空管受到严重损坏，最初的测试从2008年9月19日推迟到2009年11月20日。[44][45][46][47]
在第一次运行(2010-2013年)期间，LHC碰撞了两个质子的反向粒子束，最高可达4 万亿电子伏特 (4 TeV 或者 0.64微焦耳）、或铅核(574 TeV每核，或2.76 TeV每核子)。[48][48] 它的第一次发现包括长期寻找的希格斯玻色子，几个复合粒子(强子)，如 χb (3P) 底部态，第一个夸克胶子等离子体的创造，和第一次观察到非常罕见的Bs 介子衰变成两个μ子(Bs0 → μ+μ−)，挑战了现有超对称模型的有效性。[49]
运营挑战
大型强子对撞机的规模构成了一个特殊的工程挑战，由于磁体和束流中储存了大量的能量，存在着独特的操作问题。[50][50] 运行时，储存在磁体中的总能量为 10 GJ（2400公斤TNT）。两束粒子携带的总能量达到 724MJ（173公斤TNT）。[51]
损失只有千万分之一(10−7)的能量足以熄灭超导磁体，而两个束流堆中的每一个都必须吸收 362MJ（87公斤TNT）。这些能量由非常少的物质携带：在标称工作条件下(每束2，808束，1.15×1011 质子每束)，束管包含1.0×10−9 克氢气，在标准温度和压力，它可以填满一粒细沙的体积。
费用
预算为75亿欧元(约为90亿美元或61.9亿美元 截至2010 年6月)，LHC是有史以来[52]最昂贵的科学仪器之一[53] 该项目加速器的总成本预计为46亿瑞士法郎(约44亿美元、31亿欧元或28亿美元 截至2010 年1月)，欧洲核子研究组织对实验的贡献了11.6亿瑞士法郎（大约11亿美元、8亿欧元或7亿美元 截至2010 年1月)。[53]
1995年批准建设LHC，预算为26亿瑞士法郎，另有2.1亿瑞士法郎用于实验。然而，在2001年的一次重大审查中，加速器的成本超支估计约为4.8亿瑞士法郎，实验费用超支5000万瑞士法郎，欧洲核子研究组织的预算也有所减少，这使得完工日期从2005年推迟到了2007年4月。[54] 超导磁体导致了1.8亿瑞士法郎的成本增加。由于在为紧凑缈子线圈建造地下洞穴时遇到的工程困难，还有进一步的费用和延误，[55] 也是由于磁体支架设计不够坚固，未能通过初始测试(2007年)，以及磁体失超和液氦逃逸造成的损坏(首次测试，2008年) 。[56] 因为夏季的电费较低，所以在冬季的几个月里，LHC通常不运行，[57] 2009/10和2012/2013年冬季的例外情况是为了弥补2008年的启动延迟和提高2012年发现的新粒子的测量精度。
建筑事故和延误
初始较低的磁电流
在两次运行(2010年至2012年和2015年)中，LHC最初运行时的能量低于计划运行能量，第一次运行时增加到2×4 TeV，第二次运行时增加到2×6.5 TeV，低于2×7 TeV的设计能量。这是因为大型超导磁体需要大量的磁体训练 ，才能在不丧失超导能力的情况下处理所涉及的大电流，而大电流是产生高质子能量的必要条件。“训练”过程包括以较低的电流反复运行磁体，以引发任何可能导致的淬火或微小运动。将磁铁冷却到1.9 K左右（接近绝对零度）的工作温度也需要时间。随着时间的推移，磁体“休眠”，并在这些较小的电流下停止淬火，最终可以处理全部设计电流而不淬火；欧洲核子研究组织的媒体将这些磁铁描述为“抖掉”它们晶体和位置中不可避免的微小制造缺陷，这些缺陷最初削弱了它们处理计划电流的能力。随着时间的推移，经过训练，磁铁逐渐能够在不淬火的情况下处理其全部计划电流。[66][67]
第一束粒子在2008年9月10日早上通过对撞机循环。[68] 欧洲核子研究组织成功地分阶段在隧道周围发射质子，每次三公里。粒子以顺时针方向射入加速器，并在当地时间10:28绕着加速器旋转。[43] LHC成功地完成了它的主要测试：在一系列试运行之后，两个白点在电脑屏幕上闪现，显示质子在对撞机的整个轨道上运行。它用了不到一个小时的时间引导粒子流绕过它的初始环路。[68] CERN接下来成功地以逆时针方向发送了一束质子，由于低温学的问题，花费了一个半小时稍长的时间，整个环路在14:59完成。
猝灭事件
2008年9月19日，3区和4区的大约100个弯曲磁体发生磁体失超，其中电气故障导致大约6吨液氦(磁体的低温冷却剂)损失，并排入隧道。逸出的蒸汽因爆炸力而膨胀，总共损坏了53个超导磁体及其安装件，污染了真空管，真空管也失去了真空条件。[44][45][69]
事故发生后不久，欧洲核子研究组织报告说，问题最可能的原因是两块磁铁之间的电气连接故障，而且 –由于预热受影响的扇区，然后将其冷却至工作温度所需的时间 –至少需要两个月才能修复。[70] 欧洲核子研究组织发布了一份中期技术报告[69] 并分别对2008年10月15日和16日的事件进行了初步分析，[71] 2008年12月5日提交了一份更详细的报告。[63] 欧洲核子研究组织对该事件的分析证实，电气故障确实是原因。错误的电气连接(正确地)导致了为超导磁体供电的电气系统的故障保护电源中断，但也导致了电弧(或放电)，电弧破坏了过冷氦的外壳和真空绝缘的完整性，导致冷却剂的温度和压力迅速升高，超出了安全系统的承受能力，[69] 并且在一些受影响的磁体中导致大约100摄氏度的温度升高。储存在超导磁体中的能量和其他激冷探测器中感应出的电噪声也在快速加热中发挥了作用。大约两吨液氦在探测器触发紧急停止前爆炸逃逸，随后又有四吨液氦以较低的压力泄漏。[69] 事件中共有53块磁铁受损，在冬季停工期间进行了维修或更换。[72] 这一事故在 2010年2月 超导体科学与技术 第22页 欧洲核子研究组织物理学家卢西奥·罗西的论文中被仔细讨论。[73]
在最初的LHC试运行时间表中，质心能量为900 GeV的第一次“适度”高能碰撞预计将在2008年9月底之前发生，而LHC预计将在2008年底以10 TeV运行。[74] 然而，由于上述事件造成的延误，对撞机直到2009年11月才投入运行。[75] 尽管有所延误，但2008年10月21日，在政治领导人、欧洲核子研究组织20个成员国的科学部长、欧洲核子研究组织官员和世界科学界成员的出席下，LHC正式投入使用。[76]
2009年的大部分时间用于维修和审查淬火事故造成的损坏，以及2009年7月发现的另外两个的真空泄漏，这两个泄漏将运营推迟到当年11月。[65]
2009年11月20日，低能束流自事故发生以来首次在隧道内运行，不久之后，11月30日，LHC达到1.18 TeV每束，成为世界上能量最高的粒子加速器，打破了兆电子伏特加速器先前保持八年的0.98 TeV每束的记录。
2010年初，能量束持续上升，早期物理实验接近3.5 TeV每束。 2010年3月30日，通过以7 TeV每束的总能量对撞质子束，LHC创造了高能碰撞的新记录。这是那天的第三次尝试，在两次失败的尝试之后，质子不得不从对撞机中“倾倒”出来，并且必须注入新的束流。[77] 这也标志着主要研究项目的开始。
第一次质子运行于2010年11月4日结束。铅离子运行始于2010年11月8日，结束于2010年12月6日。[78] 使得大型离子对撞机实验在类似大爆炸后不久的极端条件下研究物质。[79]
欧洲核子研究组织最初计划在2012年年底之前运行，在2011年年底有一个短暂的休息，允许束流能量从3.5增加到4 TeV每束。[80] 在2012年底，计划在2015年之前关闭LHC，以允许升级到计划的7 TeV每束。[80] 2012年底，鉴于2012年7月希格斯玻色子的发现，关机被推迟了几周，直到2013年初，以便在关机前获得更多数据。
2013年2月13日，LHC因其为期两年的升级而关闭，升级涉及到LHC的许多方面:在14 TeV下实现碰撞，增强其探测器和预加速器(质子同步加速器和超级质子同步加速器)，以及更换其通风系统和 100公里（62英里）的电缆，它们从第一次运行开始就被高能碰撞损坏。[81] 升级后的对撞机于2014年6月开始了长时间的启动和测试过程，2014年6月2日启动了质子同步加速器助推器，2014年6月18日完成了磁体和质子同步加速器循环粒子之间的最终互联，主LHC超磁体系统的第一部分达到了运行温度 1.9 K (−271.25 °C)。几天后，[82] 由于超导磁体“训练”进展缓慢，决定以每束6.5 TeV的较低能量开始第二次运行，相当于11，000安培的电流。据报告，第一批主要的LHC磁体已于2014年12月9日成功训练，而其他磁体部分的训练于2015年3月完成。[83]
2015年4月5日，在中断两年后，LHC重新启动，在此期间，弯曲磁铁之间的电气连接器得到升级，以安全处理每束7 TeV（14 TeV）所需的电流。[84][84] 然而，弯曲磁体仅经过训练每束6.5 TeV(总共13 TeV)的能量，这成为2015年至2017年的运行能量。[66] 运行能量于2015年4月10日首次到达。[85] 质子对撞的升级达到了顶峰，总能量为13 TeV。 2015年6月3日，在离线近两年后，LHC开始交付物理数据。 在接下来的几个月里，它被用于质子-质子碰撞，而在11月，机器切换到铅离子碰撞，在12月，通常的冬季关机开始。
在2016年，机器操作员集中精力增加质子-质子碰撞的亮度。6月29日首次达到设计值， 进一步的改进将碰撞率提高到设计值以上40%。 2016年的总碰撞次数超过了第一次运行的次数——每次碰撞的能量更高。质子-质子运行之后是四周的质子-铅碰撞。[86]
2017年，亮度进一步增加，达到设计值的两倍。碰撞总数也高于2016年。[87]
2018年的物理运行始于4月17日，止于12月3日，包括四周的铅-铅碰撞。[87]
| Date | Event |
|---|---|
| 10 Sep 2008 | 欧洲核子研究中心成功地分阶段发射了环绕整个隧道环路的第一批质子。 |
| 19 Sep 2008 | 3区和4区约100块弯曲磁铁发生磁失超，造成约6吨液氦的损失。 |
| 30 Sep 2008 | 第一次“适度”高能对撞计划，但由于事故推迟。[88] |
| 16 Oct 2008 | 欧洲核子研究中心发布了对事故的初步分析。 |
| 21 Oct 2008 | 官方启动典礼。 |
| 5 Dec 2008 | 欧洲核子研究中心发布了详细的分析报告。 |
| 20 Nov 2009 | 自事故发生以来，低能束流首次在隧道内循环.[88] |
| 23 Nov 2009 | 第一次在所有四个探测器上粒子对撞能量达450 GeV。 |
| 30 Nov 2009 | 大型强子对撞机成为世界上能量最高的粒子加速器，每束能量达到1.18 TeV，打破了八年来兆电子伏特加速器保持的每束能量0.98 TeV的纪录。[88] |
| 15 Dec 2009 | 第一个科学结果，包括284次ALICE探测器侦测的对撞。[88] |
| 30 Mar 2010 | 在美国东部时间13时06分的大型强子对撞机中，两束粒子以7 TeV(每束3.5 TeV)的速度相撞，标志着大型强子对撞机研究项目的开始。 |
| 8 Nov 2010 | 第一次运行铅离子。 |
| 6 Dec 2010 | 铅离子运行结束，停机到2011年初。 |
| 13 Mar 2011 | 2011年开始运行质子束。[89] |
| 21 Apr 2011 | 大型强子对撞机成为世界上光度最高的强子加速器 ，其峰值光度达到4.67·1032 cm−2s−1, 打破了兆电子伏特加速器保持了一年之久的 4·1032 cm−2s−1 记录。[90] |
| 24 May 2011 | ALICE 报告夸克胶子等离子体已经通过早期的铅碰撞得到。 |
| 17 Jun 2011 | 高亮度实验中ATLAS和CMS采集到的数据均达到 1 fb−1 。[91] |
| 14 Oct 2011 | LHCb 采集数据达到 1 fb−1 。[92] |
| 23 Oct 2011 | 高亮度实验中ATLAS和CMS采集到的数据均达到 5 fb−1 。 |
| Nov 2011 | 第二次运行铅离子。 |
| 22 Dec 2011 | 第一次新复合粒子被发现， χb (3P) 在2011年的质子对撞中被观察到. |
| 5 Apr 2012 | 2012年冬季关闭后，第一次与稳定束流发生对撞。能量增加到每束4 TeV(对撞时为8 TeV).[93] |
| 4 Jul 2012 | 第一个新的基本粒子发现，一个新的玻色子被观察到，这与理论预言的希格斯玻色子“一致”。（现在已经证实这就是希格斯玻色子本身.[94]） |
| 8 Nov 2012 | 第一次观察到非常罕见的 Bs 衰变成 两个介子 (Bs0 → μ+μ−), 超对称理论的一个重大考验 ，显示 3.5 sigma的结果，符合标准模型，而不是它的许多超对称变体。 |
| 20 Jan 2013 | 质子与铅离子碰撞的第一次运行。 |
| 11 Feb 2013 | 质子与铅离子碰撞的第一次运行结束。 |
| 14 Feb 2013 | 开始第一次长时间的关机，以准备更高的能量和亮度对撞机。[95] |
| 7 Mar 2015 | 运行2的注入测试，向LHCb和ALICE发送质子。 |
| 5 Apr 2015 | 两个束流都在对撞机循环.[96]，四天后，每质子6.5 TeV的能量达到了新的记录。[96] |
| 20 May 2015 | 质子在大型强子对撞机中以破纪录的13TeV的能量发生对撞.[97] |
| 3 Jun 2015 | 离线近两年后开始提供物理数据以进行重新调试。[97] |
| 4 Nov 2015 | 2015年质子对撞结束，离子对撞准备工作开始。 |
| 25 Nov 2015 | 首次以破纪录的能量超过 1 PeV (1015 eV)的离子对撞。[97] |
| 13 Dec 2015 | 2015年结束离子碰撞。 |
| 23 Apr 2016 | 2016年开始数据采集。 |
| 29 June 2016 | LHC的设计亮度为 1.0 · 1034 cm−2s−1[98] 。经过一年多的改进，亮度提高到设计值的40%以上.[98] |
| 26 Oct 2016 | 2016年质子-质子对撞结束。 |
| 10 Nov 2016 | 2016年质子-铅对撞开始。 |
| 3 Dec 2016 | 2016年质子-铅对撞结束。 |
| 24 May 2017 | 2017年质子-质子碰撞开始。2017年，亮度度增加到其设计值的两倍。[98] |
| 10 Nov 2017 | 2017年常规质子-质子对撞模式结束。[98] |
| 17 Apr 2018 | 2018年质子-质子碰撞开始。 |
希格斯玻色子是标准物理模型的一个重要组成部分，理论预测了希格斯玻色子的存在，但由于希格斯玻色子的高质量和难以捉摸的性质，以前从未观测到。欧洲核子研究组织的科学家估计，如果标准模型是正确的，LHC每分钟都会产生几个希格斯玻色子，让物理学家最终确认或否定希格斯玻色子的存在。此外，LHC还允许寻找超对称粒子和其他可能是物理学未知领域的假想粒子。[98] 标准模型的一些扩展预测了额外的粒子，例如重的W’和Z’规范玻色子，估计它们也在LHC能够发现的范围内。[98]
2009年12月15日，报道了LHC的首次物理结果，包括284次在ALICE探测器中发生的碰撞。[99] CMS合作组织于2010年2月初公布了第一次质子-质子碰撞的结果，其能量高于费米国立加速器实验室的兆电子伏特加速器质子-反质子碰撞，产生的带电强子产量超过了预测。[99]
在数据收集的第一年后，LHC实验合作开始发布他们在质子-质子碰撞标准模型之外寻找新物理的初步结果。[100][101][102][103] 在2010年的数据中没有发现新粒子的迹象。因此，在标准模型的各种扩展的允许参数空间上设置了界限，例如具有大的额外维度的模型、最小超对称标准模型的约束版本等。[104][105][106]
2011年5月24日，据报道，在LHC创造了夸克胶子等离子体(被认为是除黑洞之外密度最大的物质)。[107]
2011年7月至8月，基于2011年上半年收集的数据，希格斯玻色子和奇异粒子的搜索结果在格勒诺布尔和孟买的会议上公布[107] 。[108] 在后一次会议上，据报道，尽管在早期数据中有希格斯信号的暗示，ATLAS和CMS以95%的置信水平(使用CLs方法)排除了希格斯玻色子的存在，其性质由标准模型预测在145至466 GeV的大部分质量区域。[109] 对新粒子的搜索也没有产生信号，这进一步限制了标准模型的各种扩展的参数空间，包括它的超对称扩展。[110][111]
2011年12月13日，欧洲核子研究组织(CERN)报告称，标准模型希格斯玻色子(如果存在)的质量最有可能被限制在115-130 GeV的范围内。 CMS和ATLAS探测器也显示了124-125 GeV范围内的强度峰值，这与背景噪声或希格斯玻色子的观测一致。[112]
2011年12月22日，据报道观察到一种新的复合粒子 χb (3P) 底态。[113]
2012年7月4日，CMS和ATLAS团队都宣布在质量区域125–126 GeV发现了一个玻色子，每个玻色子具有5 sigma的统计意义。这符合宣布新粒子所需的正式级别。观察到的性质与希格斯玻色子一致，但在进一步分析之前，科学家们对于它是否被正式确定为实际上是希格斯玻色子持谨慎态度。[113]
2012年11月8日，LHCb团队报告了一项被视为物理学中超对称理论的“黄金”测试的实验，[114] 通过测量非常罕见的衰变 介子变成两个μ子( )中。结果与非超对称标准模型的预测相匹配，而不是与超对称的许多分支的预测相匹配，表明衰变比某些形式的超对称预测不太常见，尽管仍然可以与其他版本的超对称理论的预测相匹配。最初起草的结果被认为缺乏证据，但具有相对较高的3.5西格玛显著性。[114] 这个结果后来得到了CMS合作者的证实。[115]
2013年8月，LHCb团队揭示了标准模型无法预测的B介子衰变产物角分布异常；这种异常具有4.5 sigma的统计确定性，仅仅差5 sigma需要被正式确认为发现。虽然Z玻色子被认为是一个可能的候选者，但这种异常的原因仍不清楚。[116]
2014年11月19日，LHCb实验宣布发现两种新的重亚原子粒子， Ξ′−b 和 Ξ∗−b。它们都是重子，由一个底部、一个底部和一个奇夸克组成。他们是底层Ξ粒子的激发态。[117][118]
LHCb合作在运行1数据中观察到多个奇异强子，可能是五夸克或四夸克。 2014年4月4日，合作确认了四夸克候选Z(4430)的存在，其显著性超过13.9σ。[119][120] 2015年7月13日，与底部λ重子(λ)衰变的五夸克态一致的结果（Λ0
b）被报道。[121][122][123]
2016年6月28日，该合作宣布了四个类似四夸克的粒子衰变为J/ψ和φ介子，其中只有一个在(X(4274)、X(4500)和X(4700)和X(4140)之前已经确定。[124][125]
2016年12月，ATLAS展示了W玻色子质量的测量结果，研究了在兆电子伏特加速器进行的分析的精度。[126]
在2015年7月举行的EPS-HEP会议上，合作者首次展示了几种碰撞能量较高的粒子的横截面测量结果。
2015年12月15日，ATLAS和CMS实验都报道了使用13个TeV质子碰撞数据进行希格斯物理、超对称性(SUSY)搜索和系外搜索的初步结果。这两个实验都发现双光子不变质谱中有750 GeV左右的适度过量[127][128][129] ，但在2016年8月的一份报告中，这些实验并没有证实这种假想粒子的存在。[130][131][132]
2017年7月，基于2016年收集的大数据集进行了大量分析。对希格斯玻色子的性质进行了更详细的研究，提高了许多其他结果的精度。[133]
经过几年的运行，任何粒子物理实验通常都开始遭受收益递减的影响：随着设备可获得的关键结果开始完成，以后几年的操作发现的比例比前几年要少。一种常见的反应是升级所涉及的设备，特别是在碰撞能量、亮度或探测器的改进。除了2018年可能增加到14 TeV 的对撞能量外，2018年6月开始对LHC进行亮度升级，称为高亮度LHC，这将从2026年开始，提升加速器在物理学新发现方面的潜力。从2026年开始。[134] 升级的目的是将机器的亮度提高10倍，达到1035 cm−2s−1，提供了更好的机会来观察罕见的过程，并改进了统计上的边缘测量。
大型强子对撞机获得了科学界以外相当多的关注，它的进展被大多数流行的科学媒体所跟踪。LHC还激发了小说、电视剧、电子游戏和电影等小说作品的灵感。
欧洲核子研究组织员工凯瑟琳·麦卡尔平（ Katherine McAlpine）的“大型强子说唱”[140] 在YouTube上的点击量超过了700万。[141][142] 欧洲核子研究组织的女性创立了“欧洲核子研究组织”乐队。选择这个名字是为了和LHC有相同的首字母。[143][144]
国家地理频道《极限维修大挑战》第二季(2010)《原子时空领主》以更换2008年淬火事件后对撞机维修中最后一个超导磁体部分为特色。这一集包括从维修设施到对撞机内部的实际镜头，以及对LHC的功能、工程和目的的解释。[145]
大型强子对撞机是2012年学生电影 《衰变》的焦点。这部电影是在欧洲核子研究组织的维修隧道里拍摄的。[146]
专题纪录片《粒子狂热》跟随CERN的实验物理学家进行实验，以及理论物理学家试图为LHC的结果提供概念框架。它赢得了2013年谢菲尔德国际纪录片节。
丹·布朗的小说《天使与魔鬼》涉及到大型强子对撞机制造的反物质，反物质将用于对抗梵蒂冈。对此，欧洲核子研究组织发表了一篇“事实还是虚构？”讨论该书描述的LHC、欧洲核子研究组织和粒子物理学的准确性的文章。[147] 这本书的电影版本有在LHC的一个实验现场拍摄的镜头；主任朗·霍华德(Ron Howard)会见了欧洲核子研究组织的专家，试图使故事中的科学更加准确。[148]
在视觉小说/漫画/动漫系列“斯坦斯；盖茨（Steins;Gate）”中，SERN （CERN故意拼错的一个单词）是一个组织，它利用大型强子对撞机实验中产生的微型黑洞来掌握时间旅行并控制世界。它还通过“梯队”项目参与群众警戒，并与世界各地的许多雇佣军集团有联系，以避免制造其他时间机器。
这部小说 未来闪影，由罗伯特·J·索耶完成，涉及在LHC寻找希格斯玻色子。欧洲核子研究组织(CERN)出版了一个“科学与小说”的网页，采访索耶和物理学家关于这本书和基于它的电视连续剧。[149]
罗伯特·j·索耶(Robert J. Sawyer)的小说《未来闪影》讲述了在大型强子对撞机上寻找希格斯玻色子的过程。欧洲核子研究中心出版了一个“科幻”版的网页，采访了索耶和物理学家，内容是关于这本书以及根据它改编的电视剧。[149]
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