ATLAS al CERN ricrea il primo urto di un raggio cosmico nell’atmosfera

Nel luglio 2025 il Large Hadron Collider (LHC) del CERN ha fatto collidere, per la prima volta, protoni e ioni di ossigeno. Per l’esperimento ATLAS, questa configurazione ha rappresentato un modello controllato del primo urto che avviene quando un raggio cosmico raggiunge l’atmosfera terrestre. 69

Un protone come raggio cosmico, l’ossigeno come atmosfera

Nell’analogia sperimentale, il fascio di protoni rappresenta la particella in arrivo dallo spazio, mentre gli ioni di ossigeno rappresentano i nuclei presenti nell’atmosfera. Poiché l’atmosfera è composta soprattutto da azoto e ossigeno, le collisioni protone-ossigeno permettono di studiare direttamente una fase essenziale dell’avvio di uno sciame atmosferico. 9

Le collisioni sono avvenute a un’energia di 9,62 TeV. ATLAS non ha cercato di riprodurre l’intero sciame, che si sviluppa attraverso l’atmosfera, ma di misurare con precisione la collisione microscopica iniziale da cui esso prende origine. 6

Che cosa ha misurato ATLAS

L’analisi ha selezionato 246 milioni di eventi, ciascuno con almeno una traccia di particella carica con impulso trasverso superiore a 500 MeV e nella regione di pseudo-rapidità |η| < 2,5. 9

Dalle tracce delle particelle cariche, la collaborazione ha misurato:

• i tassi di produzione e il numero di particelle;
• le distribuzioni dell’impulso trasverso;
• le distribuzioni di pseudo-rapidità, che descrivono gli angoli di emissione rispetto alla direzione del fascio;
• le sezioni d’urto dell’interazione. 69

La sezione d’urto protone-ossigeno misurata nella regione definita dall’esperimento è risultata pari a 396 ± 6 (sperimentale) ± 9 (luminosità) mb. Attraverso un’estrapolazione teorica al caso protone-aria, la sezione d’urto anelastica è stata stimata in 406 ± 6 (sperimentale) ± 9 (luminosità) ± 28 (teoria) mb. 9

Secondo il riepilogo di ATLAS, le incertezze sulle misure di molteplicità, impulso trasverso e pseudo-rapidità sono dell’ordine di pochi punti percentuali: circa un ordine di grandezza inferiori alle differenze tra i modelli di interazione adronica impiegati per simulare gli sciami. 69

Perché questi dati contano

Gli osservatori terrestri di raggi cosmici, in genere, non rilevano direttamente la particella primaria. Osservano invece le particelle secondarie prodotte nei suoi urti con l’atmosfera e, da queste, ricostruiscono energia e possibile composizione dell’oggetto iniziale. Questo procedimento dipende dalle simulazioni delle interazioni adroniche, cioè delle collisioni governate dall’interazione forte, e i modelli disponibili non coincidono pienamente. 6

I dati protone-ossigeno consentono di calibrare questi modelli su misure di laboratorio: probabilità di interazione, produzione di particelle, distribuzioni di impulso, angoli di emissione e sezioni d’urto. L’estrapolazione al caso protone-aria avvicina ulteriormente il risultato alle condizioni dell’atmosfera reale. 69

Cosa può rivelare sui raggi cosmici

Un protone primario e un nucleo più pesante generano sciami con evoluzione e fluttuazioni differenti. Simulazioni meglio calibrate possono quindi ridurre una delle principali incertezze sistematiche nel determinare se i raggi cosmici di altissima energia siano soprattutto nuclei di idrogeno oppure elementi più pesanti. Si tratta però di un possibile beneficio dei nuovi dati, non di una conclusione diretta della misura di ATLAS. 69

La composizione dei raggi cosmici è importante anche per interpretare i loro possibili acceleratori astrofisici. La deviazione nei campi magnetici e i limiti dell’accelerazione dipendono infatti dalle proprietà del nucleo. Una composizione stimata con maggiore precisione può dunque rendere più rigorosi i test sui possibili scenari di origine, come gli ambienti di stelle esplose o quelli attorno a buchi neri supermassicci. La misura, tuttavia, non identifica una sorgente di raggi cosmici e non dimostra uno specifico meccanismo di accelerazione. 69

Il limite essenziale dell’esperimento

Le collisioni dell’LHC costituiscono una calibrazione della prima, decisiva interazione di uno sciame atmosferico, non una riproduzione completa dello sciame stesso. Il loro valore sta nel sostituire parte dell’incertezza teorica con dati controllati sulla fisica delle collisioni che alimenta le simulazioni dei raggi cosmici. 69