В ускорителе предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14·1012 электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5,5 ГэВ (5,5·109 электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов. На начало 2010-го года БАК уже несколько превзошел по энергии протонов предыдущего рекордсмена — протон-антипротонный коллайдер Тэватрон, который в настоящее время работает в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США). В будущем, когда наладка оборудования будет завершена, БАК будет самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии остальные коллайдеры.
Основной целью строительства БАК было уточнение или опровержение Стандартной модели - теоретической конструкции в физике, описывающей элементарные частицы и три из четырех фундаментальных взаимодействия: сильное, слабое и электромагнитное, за исключением гравитационного. Формирование Стандартной модели было завершено в 1960-1970-х годах, и все сделанные с тех пор открытия, по мнению ученых, описывались естественными расширениями этой теории. При этом Стандартная модель объясняла, каким образом взаимодействуют элементарные частицы, но не отвечала на вопрос, почему именно так, а не иначе.
· Экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса. Существование этой частицы было предсказано еще в 1960 году британским физиком Питером Хиггсом. Физиков интересует, на самом деле, не столько сам хиггсовский бозон, сколько хиггсовский механизм нарушения электрослабой симметрии. Именно изучение этого механизма, возможно, натолкнет физиков на новую теорию нашего мира, более глубокую, чем Стандартная модель. Хиггсовский бозон — это «частица-отголосок» этого механизма; его просто удобнее всего изучать именно через открытие и изучение хиггсовского бозона. Научная программа LHC, разумеется, не ограничивается одним лишь обнаружением бозона Хиггса, но и включает в себя многочисленные задачи по доскональному изучению его свойств.
· Поиск суперсимметрии.Суперсимметрия — это очень сильная и глубокая теоретическая идея об устройстве нашего мира. Она пока не подтверждена экспериментом, но, возможно, LHC сможет найти ее проявления.
· Изучение топ-кварков. Топ-кварки — самые тяжелые из известных на сегодня фундаментальных частиц, причем они намного тяжелее всех остальных кварков. Это наводит физиков на мысль, что топ-кварки могут играть важную роль в самом процессе нарушения электрослабой симметрии. Кроме того, топ-кварки могут оказаться удобным рабочим инструментом для поиска хиггсовского бозона. Всё это требует внимательного изучения свойств топ-кварков на LHC.
· Изучение кварк-глюонной плазмы. На LHC будут происходить не только протон-протонные столкновения, но и столкновения ядер свинца (ожидается, что примерно 1 месяц в году будет проходить в режиме ядерных столкновений). При лобовом столкновении двух ультрарелятивистских ядер на короткое время образуется и затем распадается плотный и очень горячий комок ядерного вещества. Понимание происходящих при этом явлений (переход в состояние кварк-глюонной плазмы и ее остывание) очень нужно для построения более совершенной теории сильных взаимодействий, которое окажется очень полезным как для ядерной физики, так и для астрофизики.
· Изучение фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений. Протоны электрически заряжены, поэтому ультрарелятивистский протон порождает облако почти реальных фотонов, летящих рядом с протоном. Этот поток фотонов становится еще сильнее в режиме ядерных столкновений, из-за большого электрического заряда ядра. Эти фотоны могут столкнуться со встречным протоном, порождая типичные фотон-адронные столкновения, или даже друг с другом.
· Проверка экзотических теорий. Теоретики за последние годы выдвинули огромное число интересных и необычных идей относительно устройства нашего мира, которые все вместе называются «экзотическими моделями». Сюда относятся теории с сильной гравитацией на масштабе энергий порядка 1 ТэВ и т. д. Все эти теории могут показаться странными и необычными, но они не вступают в противоречие с имеющимися пока экспериментальными данными. Поскольку в этих теориях можно сделать конкретные предсказания для LHC, экспериментаторы планируют проверять эти предсказания и искать следы тех или иных теорий в своих данных. Ожидается, что результаты, полученные на LHC, смогут ограничить фантазию теоретиков, закрыв некоторые из предложенных конструкций. Впрочем, остается, конечно, и шанс, что какая-то из этих экзотических теорий «попадет в точку». Если это открытие произойдет, то за ним последует новый период бурного развития физики элементарных частиц.
· При помощи БАК физики надеются лучше понять, что представляла из себя Вселенная в первые мгновения после Большого Взрыва. Ученые отмечали, что если на БАК не удастся добиться открытия бозона Хиггса (в прессе его иногда называли "частицей бога") - это поставит под вопрос всю Стандартную модель, что потребует полного пересмотра существующих представлений об элементарных частицах. В то же время, если Стандартная модель будет подтверждена, некоторые области физики потребуют дальнейшей экспериментальной проверки: в частности, нужно будет доказать существование "гравитонов" - гипотетических частиц, которые отвечают за гравитацию.
Оценить общую стоимость проекта сложно, так как строительство самого ускорителя и его экспериментов (детекторов) финансируется отдельно, в финансировании участвует много стран, и не все деньги идут непосредственно через CERN. К тому же, ремонт ускорителя уже обошёлся дороже, чем ожидалось.
Ожидалось в 2001 году, что общая стоимость проекта составит около 4,6 млрд швейцарских франков (3 млрд евро) за сам ускоритель (без детекторов) и 1,1 млрд швейцарских франков (700 млн евро) составит доля CERN в проведении экспериментов (то есть в строительстве и обслуживании детекторов).
Строительство БАК было одобрено в 1995 году с бюджетом 2,6 млрд швейцарских франков (1,6 млрд евро), с добавочными 210 млн франков (140 млн евро) на эксперименты. Однако, как следствие сокращения бюджета CERN, стоимость была сокращена в 2001 году до 480 млн франков (300 млн евро) за ускоритель и 50 млн франков (30 млн евро) на эксперименты, что привело к сдвигу планируемых сроков введения с 2005 года на апрель 2007 года. Запуск БАК переносился не только из-за проблем с финансированием. В 2007 году выяснилось, что поставленные Fermilab детали для сверхпроводящих магнитов не удовлетворяли конструкционным требованиям, из-за чего запуск коллайдера был перенесен на год.
Бюджет проекта по состоянию на ноябрь 2009 года составил — 6 млрд долларов, что делает его самым дорогим научным экспериментом в истории человечества. Именно столько было инвестировано в строительство установки, которое продолжалось семь лет. Ускоритель частиц создавался под руководством Европейской организации ядерных исследований. Доля российских учёных в этом международном проекте тоже немаленькая. В нём задействовано 700 специалистов из России. Общая стоимость заказов, которые получили российские предприятия, по некоторым оценкам, достигает 120 миллионов долларов.
Также следует учесть, что официальная стоимость проекта БАК не включает стоимость ранее существовавших в CERN инфраструктуры и наработок. Так, основное оборудование LHC смонтировано в тоннель ранее существовавшего коллайдера LEP, и используется многокилометровое кольцо SPS в качестве предварительного ускорителя. В противном случае, если бы БАК пришлось бы строить с нуля, то стоимость БАК возросла бы в разы.
Ускоритель расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер. Туннель с длиной окружности 26,659 км проложен под землёй на территории Франции и Швейцарии. Глубина залегания туннеля — от 50 до 175 метров, причём кольцо туннеля наклонено примерно на 1,4 % относительно поверхности земли. Тоннель содержит две трубы, которые почти на всей своей протяженности идут параллельно и пересекаются в местах расположения детекторов, в которых будут осуществляться столкновения адронов - частиц, состоящих из кварков (для столкновений будут использоваться ионы свинца и протоны).
Скорость частиц в БАК на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. Разгоняться протоны начинают не в самом БАК, а во вспомогательных ускорителях. Разгон частиц до таких больших скоростей достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию(«впрыскивание») протонов и ионов свинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в PS-бустер и далее в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 28 ГэВ. После этого ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон) длиной 6,9 километра, где энергия частиц достигает 450 ГэВ.Ускорители, работающие десятилетия, в том числе Протонный синхротрон (PS) и Протонный суперсинхротрон (SPS), создают протоны со скоростью 99,99975% от скорости света. Затем пучок направляют в главное 26,7-километровое кольцо, БАК повышает энергию протонов еще почти в 16 раз, т.е. доводя энергию протонов до максимальных 7 ТэВ и сталкивает их между собой 30 млн раз в секунду в течение 10 часов и в точках столкновения детекторы фиксируют происходящие события.
В течение всего пути протоны направляет мощное магнитное поле, создаваемое 1624 сверхпроводящими электромагнитами, общая длина которых превышает 22 км. Они же в свою очередь состоят из катушек специального электрического кабеля, функционирующего как сверхпроводник, т.е. проводящего электрическую энергию без сопротивления и потерь. Для этого магниты должны быть охлаждены до -271°C, что, кстати, ниже температуры в открытом Космосе. Это и есть причина по которой большая часть ускорителя связана с системой распределения жидкого гелия, который охлаждает как сами магниты, так и другие вспомогательные системы.