كيف حوّل ATLAS مصادم الهادرونات الكبير إلى مختبر للأشعة الكونية؟

في يوليو/تموز 2025، شغّل مصادم الهادرونات الكبير (LHC) للمرة الأولى على هيئة تصادمات بين بروتونات وأيونات الأكسجين. وبالنسبة إلى كاشف ATLAS في المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية «سيرن» (CERN)، وفّر ذلك نموذجاً مخبرياً مضبوطاً لأول تفاعل يحدث عندما تصطدم أشعة كونية بالغلاف الجوي للأرض. 69

بروتون يمثل الأشعة الكونية وأكسجين يمثل الغلاف الجوي

في هذا التشبيه الفيزيائي، مثّلت حزمة البروتونات الجسيم القادم من الفضاء، فيما مثّلت أيونات الأكسجين نوى الغلاف الجوي. ويتكون الغلاف الجوي أساساً من النيتروجين والأكسجين، لذا تتيح تصادمات البروتون–الأكسجين دراسة مرحلة محورية من بداية الزخة الجوية التي تولدها الأشعة الكونية. 9

جرت التصادمات عند طاقة 9.62 تيرا إلكترون فولت. ولم يحاول ATLAS إنتاج الزخة الجوية الكاملة، التي تمتد عبر مسافات هائلة في الغلاف الجوي، بل ركّز على قياس الاصطدام المجهري الأول الذي تبدأ منه هذه الزخة بدقة. 6

ماذا قاس ATLAS؟

استند التحليل إلى 246 مليون حدث مختار، تضمّن كل منها مساراً واحداً على الأقل لجسيم مشحون ذي زخم مستعرض يتجاوز 500 ميغا إلكترون فولت، وضمن المجال (|η| < 2.5). 9

ومن مسارات الجسيمات المشحونة، قاس فريق ATLAS:

• معدلات إنتاج الجسيمات وأعدادها؛
• توزيعات الزخم المستعرض؛
• توزيعات شبه السرعة، وهي تصف زوايا الانبعاث بالنسبة إلى اتجاه الحزمة؛
• والمقاطع العرضية للتفاعل. 69

بلغ المقطع العرضي المقاس لتفاعل البروتون–الأكسجين ضمن نطاق القياس المحدد 396 ± 6 (تجريبي) ± 9 (اللمعان) ميلي بار. وباستخدام استقراء نظري إلى تفاعل البروتون–الهواء، قُدّر المقطع العرضي غير المرن بـ 406 ± 6 (تجريبي) ± 9 (اللمعان) ± 28 (نظري) ميلي بار. 9

ووفق ملخص ATLAS، فإن حالات عدم اليقين في قياسات تعدد الجسيمات والزخم المستعرض وشبه السرعة تقع عند مستوى بضعة في المئة، أي إنها أصغر بنحو رتبة مقدار من الفروق بين نماذج التفاعلات الهادرونية المستخدمة في محاكاة زخات الأشعة الكونية. 69

لماذا تهم هذه القياسات؟

لا ترصد مراصد الأشعة الكونية الأرضية الجسيم الأولي مباشرة في العادة. فهي ترصد الجسيمات الثانوية التي ينتجها عند اصطدامه بالغلاف الجوي، ثم تستنتج منها طاقته، وربما تركيبه. وتعتمد هذه العملية على محاكاة للتفاعلات الهادرونية القوية، بينما لا تتفق النماذج المتاحة تماماً بشأن تفاصيلها. 6

تمنح بيانات البروتون–الأكسجين مطوري النماذج فرصة لمواءمة احتمالات التفاعل، ومعدلات إنتاج الجسيمات، وتوزيعات الزخم، وزوايا الانبعاث، والمقاطع العرضية مع قياسات مخبرية. كما أن الاستقراء إلى تصادمات البروتون–الهواء يربط النتائج بصورة أوثق بالغلاف الجوي الحقيقي. 69

ما الذي قد تكشفه عن الأشعة الكونية؟

تنتج البروتونات الأولية والنوى الأثقل زخات جوية تختلف في تطورها وتقلباتها. ولذلك، يمكن للمحاكاة التي جرى تحسين معايرتها أن تخفف عائقاً منهجياً أمام تحديد ما إذا كانت الأشعة الكونية فائقة الطاقة تتكون أساساً من نوى الهيدروجين أم من عناصر أثقل. وهذا فائدة محتملة للبيانات الجديدة، لا استنتاج مباشر من قياس ATLAS نفسه. 69

كما يؤثر تركيب الأشعة الكونية في تفسير مصادرها الفلكية المحتملة؛ إذ يعتمد الانحراف في المجالات المغناطيسية وحدود التسارع على خصائص النواة. وقد يعزز تحديد التركيب بدقة أكبر اختبار السيناريوهات المتعلقة بمصادر مثل البيئات المحيطة بالنجوم المنفجرة أو الثقوب السوداء فائقة الكتلة. لكن هذا القياس لا يحدد مصادر الأشعة الكونية ولا يثبت آلية بعينها لتسريعها. 69

الحد الأساسي للتجربة

تمثل تصادمات LHC معايرة للتفاعل الأول والحاسم في الزخة الجوية، وليست إعادة إنتاج كاملة لها. وتكمن قيمتها في استبدال جزء من عدم اليقين النظري ببيانات مضبوطة عن فيزياء التصادمات التي تعتمد عليها محاكاة الأشعة الكونية. 69