כך הפך ATLAS ב־CERN את ה־LHC למעבדה של קרניים קוסמיות

ביולי 2025 הופעל מאיץ ההדרונים הגדול, LHC, לראשונה כך שיתנגשו בו פרוטונים ביוני חמצן. עבור גלאי ATLAS ב־CERN, זו הייתה דרך ליצור במעבדה אנלוג מבוקר של האינטראקציה הראשונה המתרחשת כאשר קרן קוסמית פוגעת באטמוספרת כדור הארץ. 69

פרוטון במקום קרן קוסמית, חמצן במקום האטמוספרה

באנלוגיה הניסויית, אלומת הפרוטונים מייצגת את החלקיק המגיע מן החלל, ויוני החמצן מייצגים את גרעיני האטמוספרה. האטמוספרה מורכבת בעיקר מחנקן ומחמצן, ולכן התנגשויות פרוטון–חמצן מאפשרות לבחון ישירות שלב בסיסי בתחילתו של ממטר חלקיקים אטמוספרי. 9

ההתנגשויות נערכו באנרגיה של 9.62 TeV. ATLAS לא ניסה לשחזר את כל הממטר, המתפשט לאורך האטמוספרה, אלא למדוד בדייקנות את ההתנגשות המיקרוסקופית הראשונית שמתחילה אותו. 6

מה מדד ATLAS

הניתוח התבסס על 246 מיליון אירועים שנבחרו, ובכל אחד מהם נמצא לפחות מסלול אחד של חלקיק טעון עם תנע רוחבי גבוה מ־500 MeV ובתחום ‎|η| < 2.5. 9

על בסיס מסלולי החלקיקים הטעונים, שיתוף הפעולה מדד:

• קצבי ייצור ומספרי חלקיקים;
• התפלגויות של תנע רוחבי;
• התפלגויות פסאודו־מהירות, המתארות את זוויות הפליטה ביחס לאלומה;
• וחתכי פעולה של האינטראקציה. 69

חתך הפעולה שנמדד עבור פרוטון–חמצן, בתחום המוגדר של הניסוי, היה 396 ± 6 (ניסויי) ± 9 (בהירות) mb. באמצעות אקסטרפולציה תאורטית לפרוטון–אוויר, הוערך חתך הפעולה הלא־אלסטי ב־406 ± 6 (ניסויי) ± 9 (בהירות) ± 28 (תאוריה) mb. 9

לפי סיכום ATLAS, אי־הוודאויות במדידות הריבוי, התנע הרוחבי והפסאודו־מהירות הן ברמה של אחוזים בודדים — בערך סדר גודל קטן מההבדלים בין מודלי האינטראקציות ההדרוניות המשמשים בסימולציות של ממטרים. 69

מדוע המדידות חשובות

מצפים קרקעיים לקרניים קוסמיות בדרך כלל אינם רואים ישירות את החלקיק הראשוני. הם מודדים את החלקיקים המשניים שהוא יוצר בהתנגשויות באטמוספרה, ומסיקים מהם את האנרגיה ואולי גם את ההרכב שלו. התהליך תלוי בסימולציות של אינטראקציות הדרוניות חזקות, שבהן המודלים הקיימים עדיין אינם מסכימים לגמרי. 6

נתוני פרוטון–חמצן מאפשרים למפתחי המודלים לכייל מול מדידות מעבדה את הסתברויות האינטראקציה, תפוקות החלקיקים, התפלגויות התנע, זוויות הפליטה וחתכי הפעולה. האקסטרפולציה להתנגשויות פרוטון–אוויר מחברת את התוצאות באופן ישיר עוד יותר לאטמוספרה. 69

מה אפשר ללמוד מכך על קרניים קוסמיות

פרוטון ראשוני וגרעין כבד יותר יוצרים ממטרים המתפתחים באופן שונה ובעלי תנודות שונות. לכן, סימולציות מכוילות טוב יותר עשויות לצמצם מכשול שיטתי בהערכת השאלה אם קרניים קוסמיות באנרגיות גבוהות מאוד מורכבות בעיקר מגרעיני מימן או מיסודות כבדים יותר. זהו יתרון אפשרי של הנתונים החדשים, ולא מסקנה ישירה ממדידת ATLAS. 69

להרכב הקרניים הקוסמיות יש חשיבות גם לפרשנות של מאיצים אסטרופיזיים אפשריים: ההסטה בשדות מגנטיים ומגבלות ההאצה תלויות בתכונות הגרעין. לכן, קביעה מדויקת יותר של ההרכב יכולה לחזק את בדיקת התרחישים של מקורות, כגון סביבות של כוכבים מתפוצצים או של חורים שחורים על־מסיביים. עם זאת, המדידה הספציפית הזו לא איתרה מקורות לקרניים קוסמיות ואינה מוכיחה מנגנון האצה כלשהו. 69

הגבול המהותי של הניסוי

ההתנגשויות ב־LHC הן כיול של האינטראקציה הראשונה והקובעת בממטר חלקיקים — לא שחזור מלא שלו. ערכן הוא בהחלפת חלק מאי־הוודאות התאורטית בנתונים מבוקרים על פיזיקת ההתנגשויות שמזינה את הסימולציות של קרניים קוסמיות. 69