ATLAS genskabte den første kollision i en kosmisk strålebyge

I juli 2025 blev Large Hadron Collider (LHC) for første gang indstillet til at kollidere protoner med oxygenioner. For ATLAS-eksperimentet ved CERN fungerede det som en kontrolleret laboratorieudgave af den første vekselvirkning, der opstår, når en kosmisk stråle rammer Jordens atmosfære. 69

En kosmisk stråle møder atmosfæren – i miniature

I eksperimentets analogi spiller protonstrålen rollen som den indkommende partikel fra rummet, mens oxygenionerne repræsenterer atomkerner i atmosfæren. Atmosfæren består især af kvælstof og oxygen, og derfor giver proton-oxygen-kollisioner en direkte mulighed for at undersøge den afgørende begyndelse på en atmosfærisk partikelbyge. 9

Kollisionerne fandt sted ved en energi på 9,62 TeV. ATLAS forsøgte ikke at skabe hele den byge af sekundære partikler, som kan brede sig gennem mange kilometer atmosfære. Målet var i stedet at måle den første, mikroskopiske kollision så præcist som muligt. 6

Hvad målte ATLAS?

Analysen omfattede 246 millioner udvalgte hændelser. Hver hændelse havde mindst ét spor fra en ladet partikel med et tværgående momentum over 500 MeV og inden for området |η| < 2,5. 9

Ud fra sporene efter de ladede partikler målte samarbejdet blandt andet:

• hvor ofte og hvor mange partikler der blev dannet,
• fordelingen af deres tværgående momentum,
• fordelingen i pseudohurtighed, som beskriver partiklernes udstrålingsvinkler i forhold til stråleretningen,
• samt vekselvirkningernes effektive tværsnit. 69

Det målte proton-oxygen-tværsnit inden for eksperimentets definerede område var 396 ± 6 (eksperimentelt) ± 9 (luminositet) mb. Ved en teoretisk ekstrapolation til proton-luft blev det inelastiske tværsnit vurderet til 406 ± 6 (eksperimentelt) ± 9 (luminositet) ± 28 (teori) mb. 9

Ifølge ATLAS var usikkerhederne på målingerne af partikelantal, tværgående momentum og pseudohurtighed på få procent. Det er omtrent en størrelsesorden mindre end forskellene mellem de modeller for hadroniske vekselvirkninger, der bruges i simuleringer af kosmiske strålebyger. 69

Derfor er dataene vigtige

Jordbaserede observatorier for kosmiske stråler ser som regel ikke den oprindelige partikel direkte. De registrerer i stedet de sekundære partikler, som opstår, når den rammer atmosfæren, og bruger dem til at udlede den oprindelige partikels energi og muligvis dens masse eller sammensætning. Den udledning afhænger af simuleringer af stærke, hadroniske vekselvirkninger, hvor de eksisterende modeller ikke er helt enige. 6

De nye proton-oxygen-data giver modeludviklere mulighed for at afstemme sandsynligheder for vekselvirkninger, partikeludbytter, momentumfordelinger, vinkelfordelinger og tværsnit mod laboratoriemålinger. Ekstrapolationen til proton-luft gør forbindelsen til Jordens atmosfære endnu mere direkte. 69

Kan det afsløre, hvad de kosmiske stråler består af?

En primær proton og en tungere atomkerne skaber byger, der udvikler sig forskelligt og har forskellige udsving. Bedre kalibrerede simuleringer kan derfor mindske en væsentlig systematisk usikkerhed i spørgsmålet om, hvorvidt kosmiske stråler ved de højeste energier mest består af hydrogenkerner eller tungere grundstoffer. Det er en mulig gevinst ved de nye data – ikke en direkte konklusion fra ATLAS-målingen. 69

Sammensætningen har også betydning for forståelsen af de mulige astrofysiske kilder. Magnetisk afbøjning og grænserne for, hvor meget en partikel kan accelereres, afhænger af atomkernens egenskaber. En mere præcis bestemmelse af sammensætningen kan derfor styrke afprøvningen af scenarier med eksempelvis miljøer omkring eksploderende stjerner eller supermassive sorte huller. Selve ATLAS-målingen identificerer dog hverken en kilde til kosmiske stråler eller beviser en bestemt accelerationsmekanisme. 69

Ikke en hel kosmisk strålebyge

LHC-kollisionerne er en kalibrering af den første og afgørende vekselvirkning i en partikelbyge, ikke en fuld genskabelse af hele bygen i atmosfæren. Deres værdi er, at de erstatter en del af den teoretiske usikkerhed med kontrollerede data om den kollisionsfysik, som simuleringerne af kosmiske stråler bygger på. 69