ATLAS zamienił LHC w laboratorium promieni kosmicznych

W lipcu 2025 r. Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) po raz pierwszy pracował w konfiguracji zderzeń protonów z jonami tlenu. Dla eksperymentu ATLAS był to kontrolowany laboratoryjny odpowiednik pierwszej interakcji zachodzącej wtedy, gdy promień kosmiczny uderza w ziemską atmosferę. 69

Proton jako promień kosmiczny, tlen jako atmosfera

W tym porównaniu wiązka protonów odgrywa rolę cząstki przylatującej z kosmosu, a jony tlenu — rolę jąder obecnych w atmosferze. Atmosfera Ziemi składa się przede wszystkim z azotu i tlenu, dlatego zderzenia proton–tlen umożliwiają bezpośrednie badanie kluczowego momentu, w którym zaczyna się atmosferyczna kaskada cząstek. 9

Zderzenia prowadzono przy energii 9,62 TeV. ATLAS nie próbował odtworzyć całej kaskady rozciągającej się przez atmosferę, lecz precyzyjnie zmierzyć jej mikroskopijny początek — pierwsze zderzenie. 6

Co zmierzył ATLAS

Do analizy wybrano 246 mln zdarzeń. Każde zawierało co najmniej jeden ślad cząstki naładowanej o pędzie poprzecznym większym niż 500 MeV, w zakresie pseudorapidności |η| < 2,5. 9

Na podstawie śladów cząstek naładowanych współpraca ATLAS wyznaczyła:

• tempo produkcji i liczebność cząstek,
• rozkłady pędu poprzecznego,
• rozkłady pseudorapidności, opisujące kąty emisji względem kierunku wiązki,
• przekroje czynne interakcji. 69

Zmierzony przekrój czynny proton–tlen w zdefiniowanym obszarze eksperymentu wyniósł 396 ± 6 (eksperymentalnie) ± 9 (luminozność) mb. Po teoretycznej ekstrapolacji do zderzeń proton–powietrze nieelastyczny przekrój czynny oszacowano na 406 ± 6 (eksperymentalnie) ± 9 (luminozność) ± 28 (teoria) mb. 9

Jak podaje podsumowanie ATLAS, niepewności pomiarów liczebności, pędu poprzecznego i pseudorapidności wynoszą kilka procent. To około rząd wielkości mniej niż różnice pomiędzy modelami oddziaływań hadronowych używanymi w symulacjach kaskad promieni kosmicznych. 69

Dlaczego te dane są ważne

Naziemne obserwatoria promieni kosmicznych zazwyczaj nie rejestrują bezpośrednio pierwotnej cząstki z kosmosu. Obserwują wtórne cząstki powstałe po jej zderzeniach z atmosferą, a na tej podstawie wnioskują o energii i prawdopodobnie także o składzie pierwotnego promienia. Taka interpretacja zależy od symulacji silnych oddziaływań hadronowych, a istniejące modele nie są ze sobą w pełni zgodne. 6

Dane proton–tlen pozwalają twórcom modeli dopasowywać do pomiarów laboratoryjnych prawdopodobieństwa interakcji, wydajności produkcji cząstek, rozkłady pędów, kąty emisji i przekroje czynne. Ekstrapolacja do zderzeń proton–powietrze wiąże wyniki jeszcze bliżej z rzeczywistą atmosferą. 69

Co to może powiedzieć o promieniach kosmicznych

Pierwotny proton i cięższe jądro atomowe tworzą kaskady o odmiennym przebiegu i fluktuacjach. Lepiej skalibrowane symulacje mogą więc zmniejszyć systematyczną niepewność przy ocenie, czy promienie kosmiczne o najwyższych energiach są głównie jądrami wodoru, czy też cięższymi pierwiastkami. To potencjalna korzyść z nowych danych, a nie bezpośredni wniosek z pomiaru ATLAS. 69

Skład promieni kosmicznych wpływa także na interpretację ich możliwych astrofizycznych akceleratorów. Od właściwości jądra zależą m.in. odchylenie w polach magnetycznych i granice możliwego przyspieszenia. Dokładniejsze określenie składu może zatem wzmocnić testy scenariuszy dotyczących źródeł takich jak środowiska wybuchających gwiazd czy supermasywnych czarnych dziur. Sam pomiar nie identyfikuje jednak źródła promieni kosmicznych ani nie dowodzi konkretnego mechanizmu ich przyspieszania. 69

Istotne ograniczenie eksperymentu

Zderzenia w LHC są kalibracją pierwszej, decydującej interakcji kaskady, a nie pełnym odtworzeniem zjawiska zachodzącego na przestrzeni wielu kilometrów atmosfery. Ich wartość polega na zastąpieniu części niepewności teoretycznych kontrolowanymi danymi o fizyce zderzeń, na której opierają się symulacje promieni kosmicznych. 69