Le Large Hadron Collider (LHC ou grand collisionneur de hadrons en Français) est un accélérateur de particules mis en opération le 10 septembre 2008 au Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN) à la frontière franco-suisse. C'est le plus important accélérateur de particules au monde construit à ce jour, dépassant en terme d'énergie le Tevatron aux États-Unis. Il a été construit dans le tunnel de 27 km de circonférence de son prédécesseur, le collisionneur LEP (Large Electron Positron). À la différence de ce dernier, ce sont des protons — de la famille des hadrons — qui sont accélérés pour produire des collisions, en lieu et place des électrons ou des positrons pour le LEP. Ces protons sont accélérés jusqu'à une énergie de 7 TeV, soit près de 4 000 fois leur énergie de masse. Six détecteurs sont installés sur cet accélérateur, à savoir ATLAS, CMS, TOTEM, LHCb, Alice et LHCf. Les deux premiers étudieront la physique des particules, en particulier la recherche du boson de Higgs et des particules supersymétriques, TOTEM mesurera la section efficace totale du LHC, LHCb étudiera la violation de la symétrie CP, ALICE étudiera la physique nucléaire et LHCf étudiera les particules produites « vers l'avant ». Le LHC sera également utilisé pour accélérer des ions lourds comme le plomb avec une énergie de collision de 1 150 TeV pour le noyau dans son ensemble soit un peu plus de 5,5 TeV par nucléon qu'il contient.
Un diagramme de Feynman montrant une voie possible de génération d'un boson de Higgs au LHC. Ici deux quarks émettent des bosons W ou Z0 qui se combinent pour former un boson de Higgs neutre.
Les physiciens espèrent répondre à plusieurs questions à l’aide de ces détecteurs :
* Le boson de Higgs, chaînon manquant au modèle standard existe-t-il ? En existe-t-il plusieurs (modèle supersymétrique)
* Quelle est l’origine de la masse des particules ?
* Pourquoi les différentes particules élémentaires ont-elles des masses différentes ? (C’est-à-dire, est-ce que les particules interagissent avec le Higgs ?)
* À combien de décimales peut-on mesurer l'énergie et la masse des particules et notamment celle des quarks top et bottom ?
* Nous pensons qu'une énorme partie de l'énergie (masse) contenue dans l'univers (matière noire et énergie noire) n'est pas constituée de la matière telle que nous la connaissons. Qu'est-ce donc ?
* Est-ce que la supersymétrie existe ? Et si oui quel est le modèle supersymétrique qui décrit la Nature ?
* Existe-t-il d’autres dimensions cachées, comme le prédisent de nombreux modèles inspirés de la théorie des cordes, et si oui, peut-on les mettre en évidence ?
* Est-il possible de produire des trous noirs microscopiques ?