ATLAS recrea en el LHC el primer choque de un rayo cósmico con la atmósfera

En julio de 2025, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) operó por primera vez con colisiones entre protones e iones de oxígeno. Para el experimento ATLAS del CERN, esta configuración ofreció un modelo controlado de la primera interacción que se produce cuando un rayo cósmico llega a la atmósfera terrestre. 69

Un protón como rayo cósmico y oxígeno como atmósfera

En esta analogía experimental, el haz de protones representa a la partícula llegada del espacio y los iones de oxígeno, a los núcleos de la atmósfera. Como el aire está formado principalmente por nitrógeno y oxígeno, las colisiones protón-oxígeno permiten estudiar directamente una fase clave del inicio de una cascada atmosférica de partículas. 9

Los choques se realizaron a una energía de 9,62 TeV. ATLAS no reprodujo una cascada completa, que puede propagarse a través de kilómetros de atmósfera, sino su colisión microscópica inicial: el paso que determina cómo arranca el fenómeno. 6

Qué midió ATLAS

El análisis seleccionó 246 millones de sucesos, cada uno con al menos una trayectoria de una partícula cargada con momento transversal superior a 500 MeV y dentro del intervalo de pseudo-rapidez (|η| < 2,5). 9

A partir de esas trayectorias, la colaboración midió:

• las tasas de producción y la cantidad de partículas;
• las distribuciones de momento transversal;
• las distribuciones de pseudo-rapidez, que describen los ángulos de emisión respecto al haz;
• y las secciones eficaces de interacción. 69

La sección eficaz medida para protón-oxígeno dentro de la región definida por el experimento fue de 396 ± 6 (experimental) ± 9 (luminosidad) mb. Al extrapolar el resultado a interacciones protón-aire, la sección eficaz inelástica se estimó en 406 ± 6 (experimental) ± 9 (luminosidad) ± 28 (teoría) mb. 9

Según el resumen de ATLAS, las incertidumbres de las mediciones de multiplicidad, momento transversal y pseudo-rapidez son de unos pocos puntos porcentuales. Es aproximadamente un orden de magnitud menos que las diferencias entre los modelos de interacción hadrónica utilizados para simular cascadas de rayos cósmicos. 69

Por qué estos datos son relevantes

Los observatorios terrestres no suelen detectar de forma directa la partícula cósmica primaria. En cambio, observan las partículas secundarias que genera al colisionar con la atmósfera e infieren a partir de ellas su energía y, posiblemente, su composición. Ese proceso depende de simulaciones de interacciones hadrónicas —regidas por la interacción fuerte— en las que los modelos disponibles todavía no coinciden por completo. 6

Los datos de protón-oxígeno permiten ajustar esos modelos a mediciones de laboratorio: probabilidades de interacción, producción de partículas, distribuciones de momento, ángulos de emisión y secciones eficaces. La extrapolación a protón-aire acerca aún más los resultados a las condiciones de la atmósfera terrestre. 69

Qué pueden aportar al estudio de los rayos cósmicos

Un protón primario y un núcleo atómico más pesado producen cascadas con desarrollos y fluctuaciones diferentes. Por ello, simulaciones mejor calibradas pueden reducir una de las incertidumbres sistemáticas al estimar si los rayos cósmicos de energía más alta son sobre todo núcleos de hidrógeno o elementos más pesados. Es un posible beneficio de los nuevos datos, no una conclusión directa de esta medición de ATLAS. 69

La composición también condiciona cómo se interpretan los posibles aceleradores astrofísicos. La desviación por campos magnéticos y los límites de aceleración dependen de las propiedades del núcleo. Una determinación más precisa de la composición podría reforzar las pruebas de escenarios relacionados con entornos de estrellas explosivas o agujeros negros supermasivos. Sin embargo, esta medición no identifica fuentes de rayos cósmicos ni demuestra un mecanismo de aceleración. 69

El límite esencial del experimento

Las colisiones del LHC son una calibración de la primera interacción decisiva de una cascada, no una reproducción completa de ella. Su valor está en reemplazar parte de la incertidumbre teórica por datos controlados sobre la física de colisiones que alimenta las simulaciones de rayos cósmicos. 69