ATLAS gjenskapte den første kollisjonen i en kosmisk stråleskur

I juli 2025 gjennomførte Large Hadron Collider (LHC) for første gang kollisjoner mellom protoner og oksygenioner. For ATLAS-eksperimentet ved CERN fungerte oppsettet som en kontrollert laboratorievariant av den første vekselvirkningen som oppstår når en kosmisk stråle treffer jordens atmosfære. 69

Et proton som kosmisk stråle – oksygen som atmosfære

I eksperimentets analogi representerte protonstrålen partikkelen som kommer inn fra verdensrommet, mens oksygenionene representerte atomkjernene i atmosfæren. Atmosfæren består i hovedsak av nitrogen og oksygen, og proton–oksygen-kollisjoner gir derfor en direkte mulighet til å studere et sentralt første trinn i en atmosfærisk partikkelskur. 9

Kollisjonene fant sted ved en energi på 9,62 TeV. ATLAS forsøkte ikke å lage en hel partikkelskur, som kan utvikle seg gjennom store deler av atmosfæren. Målet var i stedet å måle den mikroskopiske startkollisjonen så nøyaktig som mulig. 6

Hva ATLAS målte

Analysen omfattet 246 millioner utvalgte hendelser. Hver av dem hadde minst ett spor fra en ladd partikkel med tverrmomentum over 500 MeV og innenfor området |η| < 2,5. 9

Ved å følge sporene etter ladde partikler målte ATLAS-samarbeidet blant annet:

• hvor ofte og hvor mange partikler som ble produsert,
• fordelingen av partikkelenes tverrmomentum,
• pseudorapiditetsfordelingen, som beskriver utslippsvinkler i forhold til stråleretningen,
• og vekselvirkningstverrsnittet, altså et mål på sannsynligheten for at kollisjonen skjer. 69

Det målte proton–oksygen-tverrsnittet i eksperimentets definerte måleområde var 396 ± 6 (eksperimentelt) ± 9 (luminositet) mb. Ved en teoretisk ekstrapolering til proton–luft ble det uelastiske tverrsnittet anslått til 406 ± 6 (eksperimentelt) ± 9 (luminositet) ± 28 (teori) mb. 9

Ifølge ATLAS-sammendraget ligger usikkerheten i målingene av multiplikitet, tverrmomentum og pseudorapiditet på noen få prosent. Det er omtrent en størrelsesorden mindre enn forskjellene mellom modellene for hadroniske vekselvirkninger som brukes i simuleringer av partikkelskurer. 69

Hvorfor dette er viktig for kosmiske stråler

Bakkebaserte observatorier for kosmiske stråler ser normalt ikke den opprinnelige partikkelen direkte. De registrerer sekundærpartiklene som oppstår når den kolliderer med atmosfæren, og bruker dem til å anslå primærpartikkelens energi og muligens sammensetning. Dette avhenger av simuleringer av sterke, hadroniske vekselvirkninger – et område der de eksisterende modellene ikke er fullt enige. 6

Proton–oksygen-dataene gjør det mulig å justere modellene mot laboratoriemålinger: sannsynligheter for vekselvirkninger, partikkelutbytte, momentfordelinger, vinkelfordelinger og tverrsnitt. Ekstrapoleringen til proton–luft knytter resultatene enda tettere til forholdene i atmosfæren. 69

Kan gi bedre svar om hva de kosmiske strålene består av

En primær proton og en tyngre atomkjerne lager partikkelskurer som utvikler seg ulikt og har ulike svingninger. Bedre kalibrerte simuleringer kan dermed redusere en viktig systematisk usikkerhet når forskere skal avgjøre om kosmiske stråler med svært høy energi hovedsakelig består av hydrogenkjerner eller tyngre grunnstoffer. Dette er en mulig gevinst av de nye dataene, ikke en direkte konklusjon fra ATLAS-målingen. 69

Sammensetningen har også betydning for tolkningen av mulige astrofysiske akseleratorer. Magnetisk avbøyning og grensene for hvor mye energi en partikkel kan få, avhenger av atomkjernens egenskaper. Mer presise anslag for sammensetningen kan derfor styrke testene av teorier om kilder, blant annet miljøer rundt eksploderende stjerner eller supermassive sorte hull. Selve ATLAS-målingen identifiserer imidlertid ingen kilder til kosmiske stråler og dokumenterer heller ingen bestemt akselerasjonsmekanisme. 69

Den viktige avgrensningen

Kollisjonene ved LHC er en kalibrering av den første, avgjørende vekselvirkningen i en partikkelskur – ikke en fullstendig gjenskapning av hele skuren i atmosfæren. Verdien ligger i at kontrollert laboratoriedata erstatter noe av den teoretiske usikkerheten i kollisjonsfysikken som ligger til grunn for simuleringene av kosmiske stråler. 69