ATLAS CERN Ubah LHC Jadi Laboratorium Sinar Kosmik

Pada Juli 2025, Large Hadron Collider (LHC) di CERN untuk pertama kalinya dioperasikan untuk menumbukkan proton dengan ion oksigen. Bagi eksperimen ATLAS, konfigurasi ini menjadi model laboratorium yang terkontrol untuk tumbukan pertama yang terjadi ketika sinar kosmik menghantam atmosfer Bumi. 69

Proton sebagai sinar kosmik, oksigen sebagai atmosfer

Dalam analogi eksperimen ini, berkas proton mewakili partikel berenergi tinggi yang datang dari angkasa, sedangkan ion oksigen mewakili inti atom di atmosfer. Atmosfer Bumi terutama tersusun atas nitrogen dan oksigen, sehingga tabrakan proton–oksigen menawarkan cara langsung untuk mempelajari salah satu tahap awal terbentuknya hujan partikel atmosfer. 9

Tabrakan berlangsung pada energi 9,62 TeV. ATLAS tidak berusaha menciptakan ulang seluruh hujan sinar kosmik yang dapat berkembang hingga jauh di atmosfer. Yang diukur adalah tumbukan mikroskopis pertama—titik awal dari rangkaian hujan partikel tersebut—secara presisi. 6

Apa yang diukur ATLAS

Analisis ATLAS memakai 246 juta peristiwa terpilih. Setiap peristiwa memiliki sedikitnya satu jejak partikel bermuatan dengan momentum transversal di atas 500 MeV dan berada dalam rentang |η| < 2,5. 9

Dari jejak partikel bermuatan itu, kolaborasi ATLAS mengukur:

• laju produksi dan jumlah partikel,
• distribusi momentum transversal,
• distribusi pseudorapiditas, yang menggambarkan sudut emisi relatif terhadap arah berkas,
• serta penampang lintang interaksi. 69

Penampang lintang proton–oksigen yang diukur dalam wilayah eksperimen yang ditetapkan adalah 396 ± 6 (eksperimental) ± 9 (luminositas) mb. Setelah diekstrapolasikan secara teoretis ke tumbukan proton–udara, penampang lintang inelastiknya diperkirakan 406 ± 6 (eksperimental) ± 9 (luminositas) ± 28 (teori) mb. 9

Menurut ringkasan ATLAS, ketidakpastian untuk pengukuran multiplisitas, momentum transversal, dan pseudorapiditas berada pada tingkat beberapa persen. Ini kira-kira sepuluh kali lebih kecil dibanding perbedaan antarmodel interaksi hadron yang selama ini digunakan untuk simulasi hujan sinar kosmik. 69

Mengapa data ini penting

Observatorium sinar kosmik di permukaan Bumi umumnya tidak menangkap partikel primer secara langsung. Instrumen mereka mendeteksi partikel sekunder yang dihasilkan ketika partikel dari angkasa bertabrakan dengan atmosfer, lalu memperkirakan energi dan kemungkinan komposisi partikel awal tersebut.

Proses penafsiran itu bergantung pada simulasi interaksi hadron—interaksi yang melibatkan proton, neutron, dan partikel sejenis—sementara model-model yang tersedia belum sepenuhnya sejalan satu sama lain. 6

Data proton–oksigen memungkinkan pengembang model menyesuaikan probabilitas interaksi, hasil produksi partikel, distribusi momentum, sudut emisi, dan penampang lintang dengan pengukuran laboratorium. Ekstrapolasi menuju tumbukan proton–udara membuat hasilnya lebih dekat dengan kondisi nyata di atmosfer. 69

Potensi untuk mengungkap asal sinar kosmik

Proton primer dan inti atom yang lebih berat menghasilkan hujan partikel dengan perkembangan serta fluktuasi yang berbeda. Karena itu, simulasi yang lebih terkalibrasi dapat mengurangi salah satu sumber ketidakpastian sistematis dalam menentukan apakah sinar kosmik berenergi sangat tinggi terutama berupa inti hidrogen atau unsur yang lebih berat. Ini adalah manfaat potensial dari data baru ATLAS, bukan kesimpulan langsung dari pengukuran tersebut. 69

Komposisi sinar kosmik juga memengaruhi penafsiran mengenai kemungkinan akselerator astrofisika. Pembelokan oleh medan magnet dan batas energi percepatan bergantung pada sifat inti atomnya. Dengan demikian, penentuan komposisi yang lebih akurat dapat memperkuat pengujian skenario sumber, misalnya lingkungan bintang yang meledak atau lubang hitam supermasif. Namun, pengukuran ini tidak mengidentifikasi sumber sinar kosmik dan tidak membuktikan mekanisme percepatan tertentu. 69

Bukan penciptaan ulang hujan kosmik sepenuhnya

Tabrakan di LHC adalah kalibrasi bagi interaksi pertama yang sangat menentukan dalam hujan partikel, bukan reproduksi lengkap hujan sinar kosmik di atmosfer. Nilai utamanya terletak pada penggantian sebagian ketidakpastian teoretis dengan data terkontrol tentang fisika tumbukan yang menjadi dasar simulasi sinar kosmik. 69