Un parte importante del programa físico del LHC implica colisiones Pb-Pb cunha luminosidade de 1027cm-2s-1. Para esto fue necesario una mejora en la cadena de inyección de iones, incluyendo el  Linac3 e o LEIR (y también o  PS e o SPS, obviamente). Cada  ciclo del LHC será llenado con casi 600 bunches, cada uno con 7×107 iones de plomo. Parte básica del esquema es el Low Energy Ion Ring (LEIR), que transforma los largos pulsos que vienen del Linac3 en bunches de "alto brillo". Uno de los principales objetivos para las colisiones ion-ion es producir una muy pequeña cantidad de una materia llamada plasma quark-gluon, para estudiar su evolución hasta la materia ordinaria que forma el universo de hoy. Esta investigación dará luz para entender como la interacción fuerte une los quarks para formar objetos mayores como protones y neutrones. Estas colisiones de ions pesados proporcionaron un único micro-laboratorio para estudiar la materia muy caliente y densa. En realidade esta parte do programa do LHC programa permitirá comprobar como debió ser la materia en los primeros instantes del Universe. Los iones comienzan como átomos de plomo,  82 protones y entre 122 y 126 neutrones, rodeados por una nube de 82 electrones.  En el LHC solo serán acelerados un tipo de ellos, el isótopo (Pb-208), con 126 neutrones. Dado que los protones y neutrones tienen aproximadamente la misma masa, los iones que circulan por el LHC poseen alrededor de 208 veces la masa de un protón.

Un átomo de plomo se convierte en un ión cuando alguno de sus electrones es extraido del átomo. En el proceso de aceleración hacia el LHC los electrones son removidos gradualmente hasta dejar el haz únicamente compuesto de núcleos de plomo. El haz de iones-Pb del LHC comienza con una pieza de Pb-208 practicamente puro de 2 centimetros de largo de 500 miligramos de masa. Esta pieza se caliente a  unos 500 grados Celsius para vaporizar un pequeño número de átomos. Un corriente eléctrica es utilizada para remover los primeros electróns de cada átomo, y los recién creados iones comienzan el viaje de su vida.

Eventos registrados en el detector ALICE en las prmeras colisiones con núcleos de Pb, a una enerxgía en el centro de masas de 2.76 TeV por par de nucleones. Los iones primero viajan a través del acelerador lineal Linac3, tomando una pequeña cantidad de energía (4.5 MeV por nucleón) antes de que más electróns sean removidos. A continuación, los iones son acumulados y acelerados hasta 72 MeV por nucleón en el Low Energy Ion Ring, o LEIR. Estas primeras tres etapas del proceso – vaporización y aceleración en el Linac3 y LEIR – son únicas para los iones, porque una vez que salen del LEIR ya entran en los aceleradors que también reciben a sus primos más ligeiros, los protones. A pesar de sus nombres, los dos siguientes aceleradores– el Proton Synchrotron y el Super Proton Synchrotron – también aceleran iones pesados. En el PS los iones Pb alcanzan los 5.9 GeV por nucleón y sufren la última extracción de electrones. El SPS acelera el haz a 177 GeV por nucleón y finalmente se inyecta en los dos sentidos en el LHC. Como estamos viendo, se prefíere utilizar como unidad la enerxía “por nucleón" en los que protones y neutrones son ambos nucleones, permitíiéndose así una fácil comparación con los haces de protones y otros tipos de iones. En el LHC los iones de  plomo son acelerados hasta  1.38 TeV (1380 GeV) por nucleón y son llevados para coliisionar en el centro de tres de los cuatro grandes detectores del LHC: ALICE, ATLAS y CMS. Incluso con el LHC funcionando a media potencia, las primeras colisiones de iones plomo son 13 veces más energéticas que el máximo valor existente ata ese momento obtenido en el RHIC (Brookhaven National Laboratory).