Jak už název samotného urychlovače LHC (Large Hadron Colider) napovídá, je to stroj určený k urychlování hadronů - tedy rodině částic podléhajících tzv. silné jaderné reakci. Konkrétně je urychlovač navržen pro kolize dvou typů částic - protonů (získaných z atomů vodíku) a olověných iontů PB82+ získaných z roztaveného superčistého olova.

V první fázi spouštění urychlovače se pracuje výhradně s protony, proto se v následujícím textu zaměřím více na ně, nicméně základní mechanizmy urychlování jsou shodné i pro olověné ionty.

Jak jsou částice v urychlovači uspořádány?

Vlastní urychlování se děje silným vf elektrickým polem v rezonančních dutinách takzvané RF sekce urychlovače. Aby byla částice tímto polem urychlena, musí vůči němu mít při vstupu do dutiny správnou fázi (dobrou představu o tom si můžete udělat, pokud si představíte surfaře, který se snaží být urychlem mořskou vlnou). Proto svazek částic nemůže být spojitý, ale musí se skládat ze shluků částic (tzv. bunchů) následujících po sobě tak, aby do rezonanční dutiny vstupovali se správnou fází vůči urychlovacímu poli.

Podle dokumentu Standard Filling Schemes pro frekvenci 400,8 MHz a cirkulační frekvenci 11,245 kHz (počet obletů celého okruhu za sekundu) na okruhu vznikne 35640 pozic (buckets), které mohou být naplněny částicemi. V praxi se ale zejména kvůli omezení vzájemného ovlivňování nechává mezi jednotlivými bunchi interval 25 ns (odpovídající frekvenci 40MHz). Tím se tedy počet využitelných bucketů redukuje na 3564.

Čtyři hlavní experimenty (Atlas, Alice, LHCb a CMS) mohou mít na parametry svazku poměrně odlišné nároky. Jsou proto na okruhu rozmístěny s velkou přesností tak, aby v nich docházelo ke střetům jen určitých kombinací bunchů z protilehlých svazků. Například v bodech IP1 (Atlas) a IP5 (CMS) mohou kolidovat jen lichý-lichý nebo sudý-sudý bunch, zatímco v bodě IP2 (Alice) jen sudý-lichý nebo lichý-sudý. Díky tomu se dají použitím vhodného schématu plnění bucketů splnit požadavky jednotlivých experimentů a bunche mezi ně relativně spravedlivě rozdělit. 

Typické schéma plnění je popsáno zápisem (b - bunch, e - empty):

3564 = [2x ( 72b + 8e) + 30e] + [3x ( 72b + 8e) + 30e] + [4x ( 72b + 8e) + 31e] + 3x {2x [3x ( 72b + 8e) + 30e] + [4x ( 72b + 8e) + 31e ]} + 80e

Totéž se dá stručně vyjádřit schématem obsahujícím počty tzv. dávek (batch): 234 334 334 334. Každý cyklus urychlovače SPS, který do LHC dodává částice může obsahovat 2, 3 nebo 4 dávky, takže naplnění celého schématu LHC s 2808 bunchi znamená 12 cyklů urychlovače SPS což trvá zhruba 4 minuty (jeden SPS cyklus trvá 21,6s)

Každý bunch může mít intenzitu od minimální 5 x 10^9 až do hodnot v řádu 10^11, maximální počet protonů v celém svazku je 4.82 x 10^14.

Iontové svazky se plní podle značně odlišných schémat, typický má například batche uspořádány takto: 81313 121313 121313 121313

Jak se jednotlivé částice urychlovačem pohybují?

Na tuto otázku je zdánlivě jednoduchá odpověď: "Obíhají kruhovou dráhu a přitom všemi směry oscilují kolem ideální polohy, kterou by měly mít." Přesně popsat tuto jednoduchou představu ovšem není vůbec tak snadné, jak by se mohlo na první pohled zdát.  

Než se tedy alespoň značně zjednodušeným pohledem podíváme na to, co se v urychlovači s částicí děje, musíme si ho trochu popsat.

Urychlovač si můžeme pro začátek představit jako přesně kruhovou dráhu (ve skutečnosti jsou v LHC dvě několikrát se protínající dráhy skládající se z obloukových, ale i rovných úseků). Skutečná délka dráhy LHC je 26658.883 m, z čehož se sice dá odvodit poloměr 4242.9 m, ale jak jsme říkali, dráha rozhodně není ideálním kruhem. Délka jejích obloukových úseků je jen 17617.6 m, takže tomu odpovídající skutečný poloměr čistě kruhové dráhy je 2804 m.

Celý princip kruhového urychlovače je založen na dostředivé síle, kterou na pohybující se nabitou částici působí homogenní magnetické pole jehož siločáry jsou kolmé ke směru pohybu této částice. Síla působí jako dostředivá, způsobí tedy pohyb částice po kruhové dráze o takovém poloměru, u kterého se její velikost právě vyrovná s velikostí odstředivé síly té částice, blíže například zde.

Obloukové úseky dráhy jsou tedy vybaveny dipólovými magnety, které vytvoří homogenní magnetické pole potřebné intenzity tak, aby částice správně "zatáčela".

Než budeme dále studovat pohyb částice, je dobré si nadefinovat souřadný systém, ve ktrerém její chování budeme pozorovat. Jak částice opisuje kruhovou dráhu, mění se úhel Theta , kterému říkáme longitudinální fáze. Více nás ovšem bude zajímat souřadná soustava vztažená k samotné částici. Jeho osa x se někdy také značí h a nazývá se transversálně horizontálním směrem, osa y bývá značena v a nazývána transversálně vertikálním směrem a konečně osa s, vždy tečna ke kruhové dráze se nazývá longitudinálním směrem. Rovina tvořená osami x a y, tedy kolmá na osu s se nazývá transversální rovinou.

Podle druhé věty termodynamické se příroda neustále snaží zvýšit entropii. To se v našem bunchi projevuje tak, že přestože částice v urychlovači neustále doostřujeme, nikdy se nám nepovede je všechny uvést na zcela ideální dráhu. Bunch má ve stavu dynamické rovnováhy mezi doostřováním a zvyšováním entropie přírodou zjednodušeně řečeno tvar rotačního elipsoidu (ve skutečnosti je tvar složitější) a chová se podobně jako polonafouknutý pouťový balónek. Když se nám podaří ho třeba v jedné ose trochu stlačit (doostřit), ihned se to projeví roztažením (rozostřením) v osách dalších.

Přesněji se některými těmito ději budeme zabývat v příštím dílu.