ATLAS di CERN Jadikan LHC Makmal Sinar Kosmik

Pada Julai 2025, Large Hadron Collider (LHC) di CERN dikonfigurasikan buat pertama kali untuk melanggar proton dengan ion oksigen. Bagi eksperimen ATLAS, susunan itu menjadi model makmal yang terkawal untuk interaksi pertama apabila sinar kosmik dari angkasa menghentam atmosfera Bumi. 69

Proton sebagai sinar kosmik, oksigen sebagai atmosfera

Dalam analogi ini, pancaran proton mewakili zarah bertenaga tinggi yang tiba dari angkasa, manakala ion oksigen mewakili nukleus dalam atmosfera. Atmosfera Bumi terdiri terutamanya daripada nitrogen dan oksigen, jadi perlanggaran proton–oksigen membolehkan penyelidik mengkaji langkah penting pada permulaan hujan zarah sinar kosmik. 9

Perlanggaran itu berlaku pada tenaga 9.62 TeV. ATLAS bukan cuba menghasilkan semula keseluruhan hujan zarah yang berkembang merentasi atmosfera; sebaliknya, ia mengukur dengan tepat perlanggaran mikroskopik awal yang mencetuskannya. 6

Apa yang diukur oleh ATLAS

Analisis tersebut menggunakan 246 juta peristiwa terpilih. Setiap peristiwa mempunyai sekurang-kurangnya satu jejak zarah bercas dengan momentum melintang melebihi 500 MeV dan dalam julat pseudolaju (|\eta| < 2.5). 9

Daripada jejak zarah bercas itu, kerjasama ATLAS mengukur:

• kadar penghasilan dan bilangan zarah;
• taburan momentum melintang;
• taburan pseudolaju, iaitu ukuran yang menerangkan sudut pancaran relatif kepada arah pancaran; dan
• keratan rentas interaksi. 69

Keratan rentas proton–oksigen yang diukur dalam kawasan eksperimen yang ditetapkan ialah 396 ± 6 (eksperimen) ± 9 (kilauan) mb. Selepas ekstrapolasi teori kepada proton–udara, keratan rentas tak anjal dianggarkan pada 406 ± 6 (eksperimen) ± 9 (kilauan) ± 28 (teori) mb. 9

Menurut ringkasan ATLAS, ketidakpastian bagi ukuran kemajmukan zarah, momentum melintang dan pseudolaju berada pada tahap beberapa peratus — kira-kira satu peringkat magnitud lebih kecil berbanding perbezaan antara model interaksi hadron yang digunakan dalam simulasi hujan zarah. 69

Mengapa ukuran ini penting

Balai cerap sinar kosmik di permukaan Bumi lazimnya tidak melihat zarah asal secara terus. Sebaliknya, ia mengesan zarah-zarah sekunder yang terhasil apabila zarah itu berlanggar dalam atmosfera, lalu menganggarkan tenaga dan mungkin komposisinya. Proses ini bergantung pada simulasi interaksi hadron kuat, sedangkan model sedia ada belum sependapat sepenuhnya. 6

Data proton–oksigen membolehkan pembina model melaras kebarangkalian interaksi, hasil zarah, taburan momentum, sudut pancaran dan keratan rentas berdasarkan ukuran makmal. Ekstrapolasi kepada perlanggaran proton–udara pula menghubungkan hasil tersebut dengan lebih langsung kepada keadaan dalam atmosfera. 69

Apa yang boleh didedahkan tentang sinar kosmik

Proton primer dan nukleus yang lebih berat menghasilkan hujan zarah dengan perkembangan serta turun naik yang berbeza. Oleh itu, simulasi yang ditentukur dengan lebih baik boleh mengurangkan satu sumber ketidakpastian sistematik dalam usaha menentukan sama ada sinar kosmik berenergi sangat tinggi kebanyakannya ialah nukleus hidrogen, atau unsur yang lebih berat. Ini ialah manfaat yang berpotensi daripada data baharu itu, bukannya kesimpulan langsung daripada ukuran ATLAS. 69

Komposisi sinar kosmik juga mempengaruhi cara ahli fizik menilai calon pemecut astrofizik. Pesongan oleh medan magnet dan had tenaga yang boleh dicapai semasa pecutan bergantung pada sifat nukleus. Maka, anggaran komposisi yang lebih tepat boleh mengukuhkan ujian terhadap senario sumber seperti persekitaran bintang meletup atau lohong hitam supermasif. Namun, ukuran ini sendiri tidak mengenal pasti sumber sinar kosmik dan tidak membuktikan sebarang mekanisme pecutan. 69

Had penting eksperimen ini

Perlanggaran di LHC ialah penentukuran bagi interaksi pertama yang kritikal dalam hujan zarah, bukannya penghasilan semula lengkap hujan atmosfera. Nilai utamanya terletak pada penggantian sebahagian ketidakpastian teori dengan data terkawal tentang fizik perlanggaran yang digunakan dalam simulasi sinar kosmik. 69