ATLASがLHCを宇宙線実験室に変えた仕組み

2025年7月、CERNの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）は史上初めて、陽子と酸素イオンを衝突させる運転を行った。ATLAS実験にとってこれは、宇宙から飛来した宇宙線が地球の大気に突入した際に起こる、最初の相互作用を調べるための制御可能な実験室モデルとなった。69

陽子を宇宙線、酸素を大気に見立てる

この実験では、陽子ビームが宇宙から入射する一次宇宙線の役割を担い、酸素イオンが大気中の原子核を表す。地球大気は主に窒素と酸素から成るため、陽子・酸素衝突は、大気中で粒子が次々と生まれる「空気シャワー」の始まりを直接調べる方法になる。9

衝突エネルギーは9.62 TeVだった。ATLASが再現したのは、大気中を何kmにもわたって広がる空気シャワー全体ではない。あくまで、その連鎖の起点となる微視的な最初の衝突を精密に測定したのである。6

ATLASが測定したもの

解析では、横運動量が500 MeVを超え、擬ラピディティが |η| < 2.5 の範囲に少なくとも1本の荷電粒子トラックを持つ、2億4600万件の選別事象を用いた。9

荷電粒子の飛跡からATLASは、次の量を測定した。

• 生成される粒子の頻度と個数
• 横運動量の分布
• ビーム軸に対する放出角を表す擬ラピディティ分布
• 相互作用断面積（衝突が起こりやすさを示す量）69

実験で定めた領域における陽子・酸素の断面積は、396 ± 6（実験）± 9（ルミノシティ）mbだった。これを理論的に陽子・空気の系へ外挿すると、非弾性断面積は406 ± 6（実験）± 9（ルミノシティ）± 28（理論）mbと見積もられた。9

ATLASの要約によれば、粒子数、横運動量、擬ラピディティに関する測定の不確かさは数％程度で、空気シャワーのシミュレーションに使われるハドロン相互作用モデル間の差より、およそ1桁小さい。69

宇宙線観測にとって重要な理由

地上の宇宙線観測所は通常、最初に飛来した粒子そのものを直接捉えるのではない。大気との衝突で生じた二次粒子のシャワーを観測し、そこから一次宇宙線のエネルギーや組成を推定する。この推定は、強い相互作用を扱うハドロン相互作用シミュレーションに依存するが、既存モデルの予測は完全には一致していない。6

陽子・酸素衝突のデータは、相互作用の確率、粒子生成量、運動量分布、放出角度、断面積を、モデル開発者が実験室で得た測定値に合わせて調整する材料となる。陽子・空気衝突への外挿も含め、地球大気での現象との結び付きがより直接的になる。69

高エネルギー宇宙線の正体に近づける可能性

一次宇宙線が陽子の場合と、より重い原子核の場合では、空気シャワーの発達の仕方や事象ごとの揺らぎが異なる。したがって、相互作用モデルがより正確になれば、最高エネルギー宇宙線が主に水素原子核（陽子）なのか、重い元素の原子核なのかを推定する際の系統的不確かさを減らせる可能性がある。

ただし、これは新データによって期待される効果であり、今回のATLAS測定が組成を直接決定したわけではない。69

宇宙線の組成は、候補となる天体加速源を解釈する上でも重要だ。磁場による曲がり方や到達可能な最大加速エネルギーは原子核の性質に左右されるため、組成の推定精度が上がれば、爆発的な恒星の周辺や超大質量ブラックホール近傍といった候補環境を検証する力も高まる。一方で、この測定自体が宇宙線源を特定したり、加速機構を証明したりしたものではない。69

実験が再現した範囲

LHCでの陽子・酸素衝突は、空気シャワーの最初の決定的な相互作用を較正する実験であって、空気中で続くシャワー全体の完全な再現ではない。その価値は、宇宙線シミュレーションの土台となる衝突物理について、理論モデルへの依存が大きかった部分を、制御された実測データで補える点にある。69