ATLAS maakt van de LHC een laboratorium voor kosmische straling

In juli 2025 voerde de Large Hadron Collider (LHC) voor het eerst botsingen uit tussen protonen en zuurstofionen. Voor het ATLAS-experiment bij CERN vormde die opstelling een gecontroleerd laboratoriummodel van de eerste interactie die plaatsvindt wanneer kosmische straling de aardatmosfeer raakt. 69

Een proton als kosmisch deeltje, zuurstof als atmosfeer

In deze vergelijking stelt de protonbundel het deeltje uit de ruimte voor, terwijl de zuurstofionen de atoomkernen in de atmosfeer representeren. De atmosfeer bestaat hoofdzakelijk uit stikstof en zuurstof. Proton-zuurstofbotsingen bieden daarom een directe manier om een fundamenteel moment te bestuderen: het begin van een deeltjeslawine in de atmosfeer. 9

De botsingen vonden plaats bij een energie van 9,62 TeV. ATLAS probeerde niet een volledige, kilometerslange kosmische-stralingsbui na te maken. Het experiment mat juist de microscopische eerste botsing waaruit zo'n bui ontstaat. 6

Wat ATLAS precies mat

Voor de analyse selecteerde de samenwerking 246 miljoen gebeurtenissen. Elke gebeurtenis bevatte minstens één spoor van een geladen deeltje met een transversale impuls boven 500 MeV, binnen het bereik |η| < 2,5. 9

Aan de hand van die sporen bepaalde ATLAS onder meer:

• de productiesnelheden en aantallen van de gevormde deeltjes;
• de verdelingen van hun transversale impuls;
• de pseudorapiditeitsverdelingen, die de emissiehoeken ten opzichte van de bundel beschrijven;
• de werkzame doorsneden, een maat voor de kans op een bepaalde interactie. 69

De gemeten werkzame doorsnede voor proton-zuurstof in het vastgelegde meetgebied bedroeg 396 ± 6 (experimenteel) ± 9 (luminositeit) mb. Na theoretische extrapolatie naar proton-lucht kwam de inelastische werkzame doorsnede uit op 406 ± 6 (experimenteel) ± 9 (luminositeit) ± 28 (theorie) mb. 9

Volgens de ATLAS-samenvatting liggen de onzekerheden in de metingen van multipliciteit, transversale impuls en pseudorapiditeit op enkele procenten. Dat is ongeveer een orde van grootte kleiner dan de onderlinge verschillen tussen de modellen voor hadronische interacties die worden gebruikt om deeltjeslawines te simuleren. 69

Waarom dit belangrijk is voor onderzoek naar kosmische straling

Observatoria op aarde zien doorgaans niet rechtstreeks het oorspronkelijke kosmische deeltje. Zij meten de secundaire deeltjes die ontstaan wanneer het de atmosfeer binnendringt. Uit die deeltjeslawine leiden onderzoekers vervolgens de energie en mogelijk ook de samenstelling van het oorspronkelijke deeltje af. Daarbij zijn ze afhankelijk van simulaties van sterke, hadronische interacties — en bestaande modellen zijn het niet volledig met elkaar eens. 6

De proton-zuurstofgegevens geven ontwikkelaars van zulke modellen laboratoriummetingen om de interactiekansen, deeltjesopbrengsten, impulsverdelingen, emissiehoeken en werkzame doorsneden beter af te stemmen. De extrapolatie naar proton-luchtbotsingen verbindt de resultaten nog directer met de werkelijke atmosfeer. 69

Mogelijke aanwijzingen over de aard van kosmische straling

Een primair proton en een zwaardere atoomkern veroorzaken deeltjeslawines die zich anders ontwikkelen en andere fluctuaties vertonen. Nauwkeuriger gekalibreerde simulaties kunnen daarom een belangrijke systematische onzekerheid verkleinen: bestaat de kosmische straling met de allerhoogste energieën vooral uit waterstofkernen, oftewel protonen, of uit zwaardere elementen? Dat is een mogelijk gevolg van de nieuwe gegevens, geen directe conclusie uit de ATLAS-meting. 69

De samenstelling is ook van belang voor het onderzoek naar mogelijke astrofysische versnellers. De afbuiging door magnetische velden en de maximaal bereikbare versnelling hangen af van de eigenschappen van de atoomkern. Een nauwkeuriger beeld van de samenstelling kan tests van scenario's rond bijvoorbeeld explosieve sterren of superzware zwarte gaten dus versterken. Deze specifieke meting wijst echter geen bronnen van kosmische straling aan en bewijst ook geen versnellersmechanisme. 69

De belangrijke beperking van het experiment

De LHC-botsingen vormen een kalibratie van de eerste, beslissende interactie in een kosmische-stralingsbui — geen volledige nabootsing ervan. Hun waarde zit erin dat ze een deel van de theoretische onzekerheid vervangen door gecontroleerde gegevens over de botsingsfysica waarop simulaties van kosmische straling steunen. 69