ATLAS poprvé nasimuloval počátek srážky kosmického záření s atmosférou

V červenci 2025 se Velký hadronový urychlovač (LHC) poprvé provozoval ve režimu srážek protonů s ionty kyslíku. Pro experiment ATLAS v CERNu šlo o kontrolovaný laboratorní model první interakce, k níž dochází, když kosmické záření narazí do zemské atmosféry. 69

Proton jako kosmická částice, kyslík jako atmosféra

V tomto přirovnání představuje protonový svazek přilétající částici z vesmíru a ionty kyslíku atomová jádra v atmosféře. Zemská atmosféra se skládá hlavně z dusíku a kyslíku, takže srážky proton–kyslík umožňují přímo zkoumat klíčový okamžik, jímž začíná atmosférická částicová sprška. 9

Srážky probíhaly při energii 9,62 TeV. ATLAS se nesnažil vytvořit celou spršku, která se v atmosféře rozvine na velké vzdálenosti. Zaměřil se na přesné měření její mikroskopické počáteční srážky. 6

Co ATLAS změřil

Analýza zahrnovala 246 milionů vybraných událostí. Každá obsahovala alespoň jednu stopu nabité částice s příčnou hybností nad 500 MeV v oblasti (|η| < 2,5). 9

Ze stop nabitých částic spolupráce ATLAS určila:

• rychlosti produkce a počty vzniklých částic,
• rozdělení příčné hybnosti,
• rozdělení pseudorapidity, která popisuje úhly emise vůči směru svazku,
• účinné průřezy interakce. 69

Naměřený účinný průřez proton–kyslík ve vymezené oblasti experimentu činil 396 ± 6 (experimentální) ± 9 (svítivost) mb. Po teoretickém přepočtu na srážky proton–vzduch byl nepružný účinný průřez odhadnut na 406 ± 6 (experimentální) ± 9 (svítivost) ± 28 (teorie) mb. 9

Podle shrnutí ATLAS jsou nejistoty měření násobnosti, příčné hybnosti a pseudorapidity na úrovni několika procent. To je zhruba o řád méně než rozdíly mezi modely hadronových interakcí používanými při simulacích spršek. 69

Proč jsou tato data důležitá

Pozemní observatoře kosmického záření většinou nezachytí původní částici přímo. Sledují sekundární částice, které vznikají při jejích srážkách s atmosférou, a z nich odvozují energii a případně složení primární částice. Tento postup závisí na simulacích silných hadronových interakcí, přičemž dostupné modely si ve všech detailech neodpovídají. 6

Data ze srážek proton–kyslík umožní tvůrcům těchto modelů opřít pravděpodobnosti interakcí, výtěžky částic, rozdělení hybnosti, emisní úhly i účinné průřezy o laboratorní měření. Přepočet na srážky proton–vzduch navíc výsledky přímočařeji propojuje se skutečnou atmosférou. 69

Co to může napovědět o kosmickém záření

Primární proton a těžší atomové jádro vytvářejí spršky s odlišným vývojem i kolísáním. Lépe zkalibrované simulace proto mohou snížit jednu ze systematických nejistot při určování, zda kosmické záření nejvyšších energií tvoří převážně jádra vodíku, nebo těžší prvky. Jde ale o možný přínos nových dat, nikoli o přímý závěr měření ATLAS. 69

Složení kosmického záření ovlivňuje také výklad možných astrofyzikálních urychlovačů: magnetické vychylování i meze dosažitelného zrychlení závisí na vlastnostech jádra. Přesnější určení složení by tak mohlo zpřísnit testy scénářů pro zdroje, jako jsou prostředí explodujících hvězd nebo superhmotných černých děr. Toto měření však žádný zdroj kosmického záření neidentifikuje ani nedokazuje konkrétní mechanismus urychlování. 69

Důležité omezení experimentu

Srážky v LHC představují kalibraci první, rozhodující interakce částicové spršky, nikoli úplnou reprodukci celé atmosférické spršky. Jejich přínos spočívá v tom, že část teoretické nejistoty nahrazují kontrolovanými daty o fyzice srážek, na níž simulace kosmického záření stojí. 69