双極磁石
双極磁石は粒子を円軌道に保ちます。ローレンツ力が粒子を曲げ、p ≈ 0.3 · B · r。エネルギーが高いほど、強い磁場か大きなリングが必要です。LHCには長さ約 15 m の超伝導双極磁石が1232台あり、1.9 K で 8.3 T を生み出して、7 TeV の陽子を周長 27 km の軌道に保っています。
「磁場」の強化で双極磁石が強くなり、銅コイルが巻かれます。ビームレベル10ごとに、リング全体が新しい時代に入ります。
リング
7つのリング。リング1は本物のLHC、リング2はCERNの実際の研究に基づき、リング3からは未来のフィクションです。
リング
リングの拡張
拡張にはヒッグス粒子が必要です。データ、強化、粒子の手持ちはリセットされますが、図鑑とミシックの粒子は残ります。獲得量はリングごとに永続的に×1.6になり、エネルギー上限が上がって、新しいリングの粒子が加わります。リングごとに、新メカニクスがひとつずつ加わります。
クォーク教授
“新メカニクス：拡張後はルミノシティがレベル1から始まり、ビームは最初から自動で衝突します。拡張でデータと強化はリセットされますが、図鑑とミシックの発見は残り、獲得量は永続的に ×1.6 になります。”
前段加速器と入射
新しいリングは、ゼロからは始まりません。前のリングが、完成した状態で固定された前段加速器として内側に残り、新しいリングで通常到達するエネルギーのおよそ15分の1でビームを入射します。実際のSPS（450 GeV）がLHC（7 TeV）にビームを送るのと同じです。そのあと、ビームレベルを上げるたびに、新しいリングがさらに作り上げられていきます。
大型加速器はゼロからは始まりません。小さなリングがまずビームを入射エネルギーまで加速します。SPSは450 GeVの陽子をLHCに送り込み、LHCはそれを7 TeVまで、およそ15倍に引き上げます。FCCではLHCが約3.3 TeVの前段加速器となり、新しいリングは約50 TeVに達します。SPSはLHCの円の内側、Meyrinのあたりの端に位置し、2本の短い輸送ライン（TI 2とTI 8）がLHCの2本のビームを接線方向に、それぞれ逆向きに入射します。FCC計画でも、LHCは同じように91 kmリングの端に置かれます。
クォーク教授
“旧リング（LHCリング）は前段加速器になります。CERNでSPSがLHCに450 GeVでビームを送り込むのと同じです。そのため、ビームは375.8 GeVから始まります。このリングが到達できるエネルギーのおよそ15分の1です。新しいリングは、ビームレベルを上げるたびに目に見えて建設が進みます。”
リング1の前段加速器チェーン
1
線形加速器（Linac）
加速器チェーンの最初で、Linac 4 が負の水素イオンを 160 MeV まで加速します。ブースターへの入射時に電子がはぎ取られ、陽子が残ります。まっすぐな加速器には偏向磁石が要らないので、シンクロトロン放射光も出ません。
2
陽子シンクロトロン・ブースター
ブースターは周長 157 m のリングを4段重ねたものです。陽子を 2 GeV まで上げ、次のシンクロトロンを満たせるようにバンチをまとめます。
3
陽子シンクロトロン（PS）
PSは1959年に始動しました。周長 628 m、陽子を最大 26 GeV まで加速し、今もCERNの分配拠点です。LHCが後で必要とする 25 ns 間隔のバンチを作ります。
4
スーパー陽子シンクロトロン（SPS）
SPSは周長7キロメートル近くあり、陽子を 450 GeV まで加速してLHCに送り込みます。1983年には陽子・反陽子衝突型加速器として運転され、WボソンとZボソンを発見しました。2本の輸送ラインがビームを接線方向からメインリングへ導きます。
検出器のシェルが成長
衝突点の周りの検出器は、シェルを重ねて作られています。サブ検出器のレベルが上がるたびに、目に見える素材が加わります。内側の崩壊点の層から、外側のミュー粒子検出器まで。
ビームパイプと衝突点
中心には超高真空（約 10⁻¹⁰ mbar）のビームパイプが通り、陽子がガス原子で散乱しないようにしています。検出器の部分は、粒子をほとんど減速させないベリリウム製です。ここで逆向きに回るバンチが交差しますが、実際に衝突する陽子はごく一部です。
すべての衝突はここで起きます。ビームエネルギーで、どの粒子が生まれるかが決まります。
崩壊点検出器
最も内側のシリコンピクセル層で、衝突点からわずか数センチのところにあります。飛跡を数マイクロメートルの精度で測り、その出発点を突き止めます。Bハドロンやタウ粒子などは、1ミリメートル未満から数ミリメートル飛んでから崩壊します。ずれた2次崩壊点がその目印です。
崩壊点がずれる粒子をブーストします：τ、J/ψ、Bハドロン、トップ、LQ、N。
飛跡検出器
シリコンのストリップとピクセルが、荷電粒子の飛行経路を多くの点で測ります。磁場（CMS 3.8 T、ATLAS 2 T）が経路を曲げ、その半径から運動量がわかります。p ≈ 0.3 · B · r（p は GeV/c、B はテスラ、r はメートル）。曲がる向きで電荷の符号がわかります。中性粒子は飛跡を残しません。
飛跡を残す荷電粒子をブーストします：π、K、p、W、重い荷電粒子。
ソレノイド（磁石コイル）
超伝導コイルがビーム軸に平行な磁場を作ります（CMS 3.8 T、ATLAS 2 T）。荷電粒子はその中で弧を描き、運動量が大きいほど経路はまっすぐになります。液体ヘリウムで約 4.5 K まで冷やされています。
コイルは「磁場」の強化で大きくなります。この強化はリングの双極磁石も強くします。
電磁カロリメータ
電子と光子は高密度の物質中で電子・陽電子・光子のシャワーを起こし、すべてのエネルギーが吸収されて測定されます（ATLAS：鉛と液体アルゴン、CMS：タングステン酸鉛結晶）。2012年のヒッグス粒子の発見も、2つの光子への崩壊によるものでした。
電子、光子、ヒッグス粒子など、ここにエネルギーを落とす粒子をブーストします。
ハドロンカロリメータ
パイ中間子、陽子、中性子などのハドロンは、鋼鉄（ATLAS）や真鍮（CMS）の中で強い相互作用によるカスケードを起こします。こうしてカロリメータはジェット全体のエネルギーを測ります。ニュートリノとミュー粒子はほとんど気づかれずに通り抜けます。
「カロリメータ」強化の一部です。レベル3からハドロンの殻が加わります。
ミュー粒子検出器
ミュー粒子は電子の約200倍重く、放射をあまり出さないので、手前のものをすべて突き抜けます。だからドリフトチューブやチェンバーは外側にあります。そこでまだ信号を出すのは、ほぼ間違いなくミュー粒子です。Z → μμ のような崩壊が特にきれいに見つかるのはそのためです。
ミュー粒子、Z、Z′、A′をブーストします。レベルが上がると外側のステーションが増え、検出器が大きくなります。
トロイド磁石
ATLASにはビーム軸を囲む8つの大きなトロイドコイルがあります。ミュー粒子検出器の中に第2のリング状磁場を作り、ミュー粒子をもう一度曲げます。そのため運動量を飛跡検出器とは独立に測れます。その結果、検出器は高さ約 25 m、長さ約 44 m になっています。
8つのコイルは、ミュー粒子検出器のレベル4で現れます。
天体
リング1 · 周長 27 km
LHCリング
ジュネーブ盆地
LHCはスイスとフランスの国境、地下50〜175メートルにあります。北西にジュラ山脈、南東にアルプス、そしてレマン湖。全長 26.7 km のトンネルは、もともと1989年に始動した電子・陽電子リングLEPのために掘られたものです。
リング1はLHCリングで、周長 27 km、エネルギー上限は 20 TeV。FCCリングへの拡張はリングタブにあります。
CERNの敷地. CERNは1954年に設立された、世界最大の素粒子物理学研究所です。敷地には大型実験（ATLAS、CMS、ALICE、LHCb）のホールがあり、その検出器がリングの4か所でビームを囲んでいます。
リング2 · 周長 91 km
FCCリング
未来円形衝突型加速器（FCC）
FCCは、CERNで検討されている全長約 91 km のリングトンネルの計画です。まず電子・陽電子衝突型加速器（FCC-ee、ヒッグス粒子とZボソンの工場）として、後に陽子用（FCC-hh、重心系エネルギー約 85〜100 TeV）として使われます。まだ承認はされていません。
リング2：レマン湖がリングの内側に入り、エネルギー上限は 100 TeV に上がり、ルミノシティはレベル1から始まります。
リング3 · 周長 3,000 km
大陸リング
未来のフィクション · リングのみ、天体は実在
ヨーロッパ横断の大陸リング
磁石の強さが同じなら、到達できるエネルギーは半径に比例して大きくなります（E ≈ 0.3 · B · r）。周長 91 km ではなく 3000 km のリングなら、同じ磁石でFCCの30倍以上、つまり数 PeV に届きます。そんなものを作っている人はいません。
リング3：ダブルビーム。衝突10回に1回が2倍にカウントされます。このリングは未来のフィクションです。
リング4 · 周長 40,000 km
地球リング
未来のフィクション · リングのみ、天体は実在
地球
1954年、エンリコ・フェルミは、2 T の磁石で地球を一周する加速器リングなら陽子を約 5000 TeV まで加速できると計算しました。計画ではなく思考実験です。比較すると、最高エネルギーの宇宙線は 10²⁰ eV を超え、LHCの数百万倍に達します。
リング4は地球を囲み（40,000 km）、リング5は月の軌道として地球を周回し、リング6からは地球はリング上の点になります。これらのリングは未来のフィクションです。
リング5 · 周長 240万 km
月軌道リング
未来のフィクション · リングのみ、天体は実在
月
月は地球から約384,000 km のところを、27日あまりで1周しています。いつも同じ面を地球に向け（潮汐ロック）、潮の満ち引きを起こします。その軌道上のリングは、周長約240万 km になります。
リング5：アノマリーイベント。タップでタイムブーストか大量ドロップ。このリングは未来のフィクションです。
リング6 · 周長 9億4,000万 km
太陽軌道リング
未来のフィクション · リングのみ、天体は実在
太陽
太陽は核融合炉です。中心部では約1500万 K で水素がヘリウムに融合しています。太陽風（秒速約 400 km の陽子）とニュートリノを放ち、地球の1平方センチメートルあたり毎秒約 6 · 10¹⁰ 個のニュートリノが届きますが、そのほぼすべてが素通りします。
リング6：第2の検出器。1周に交差が2回になり、テンポが半分になります。このリングは未来のフィクションです。
リング7 · 太陽系の外
太陽圏リング
未来のフィクション · リングのみ、天体は実在
太陽圏
太陽風は、太陽のまわりの星間ガスの中に泡を吹き込んでいます。約85〜95天文単位の末端衝撃波面で減速し、約120天文単位のヘリオポーズで星間空間と隔てられます。ボイジャー1号は2012年にそこを越えました。この泡は宇宙線の一部を遮っています。
リング7：質量をもつすべての粒子に、同調で共鳴として到達できます。このリングは未来のフィクションです。
リングの各部
高周波空洞
高周波空洞では、電場がバンチと同じリズムで振動します。1周ごとにバンチを少しずつ加速し、バンチとしてまとめておきます。LHCには1ビームあたり8台の超伝導 400 MHz 空洞があり、1台約 2 MV、1ビームで合計 16 MV です。
ビームエネルギー6レベルごとに、高周波モジュールが1つ増えます（最大10）。
収束用四極磁石
四極磁石はレンズのように働きます。一方の平面ではビームを収束し、もう一方の平面では発散させます。交互に並べると、全体として収束します。検出器手前のトリプレットはビームを約 17 µm まで絞ります。断面が小さいほど衝突が増えます。
「ビーム収束」2レベルごとに、検出器の両側にトリプレットが1組増えます（最大6）。収束はヒットの判定時間も広げます。
低温タンク
超伝導磁石は臨界温度以下で電気抵抗を完全に失います。LHCは約100トンの液体ヘリウムで磁石を 1.9 K まで冷やしています。何もない宇宙空間（2.7 K）より冷たく、世界最大の極低温設備です。
「低温槽」のレベルごとにタンクが1つ増え（最大10）、オフライン稼働が延びます。
ヘリウムライン
液体ヘリウムは磁石に沿ったパイプの中を循環します。2.17 K 以下でヘリウムは超流動になり、熱を非常によく伝え、粘性はほぼゼロ。磁石の冷却材として理想的です。
ラインは「低温槽」強化のレベル2から現れます。
ビームとバンチ
陽子は連続した流れではなく、バンチ（かたまり）になって走ります。LHCは1ビームあたり最大2808個のバンチを持ち、各バンチに約 10¹¹ 個の陽子、間隔は 25 ns です。2本のビームは別々のパイプを逆向きに走り、検出器でだけ交差します。交差のたびに数十回の衝突が起きます。
交差のタイミングに合わせて発射します（ヒット判定時間）。「ルミノシティ」の強化で毎秒の衝突数が増え、自動運転が解放されます。
シンクロトロン放射光
円軌道上の荷電粒子は接線方向に光を放射します。その出力は E⁴ / (m⁴ · r²) で増えます。同じエネルギーなら、電子は陽子の約 10¹³ 倍のエネルギーを失います。だからLHCは陽子を使い、電子リングのLEP（104.5 GeV）では放射が限界になったのです。
放射光の扇はビームレベルとともに大きくなります。エネルギーが高いほど、光は明るく硬くなります。