Как ATLAS в CERN превратил LHC в лабораторию космических лучей

В июле 2025 года Большой адронный коллайдер (LHC) впервые работал в режиме столкновений протонов с ионами кислорода. Для эксперимента ATLAS это стало контролируемой лабораторной моделью первой реакции, происходящей при попадании космического луча в земную атмосферу. 69

Протон — космический луч, кислород — атмосфера

В этой аналогии пучок протонов представляет частицу, прилетевшую из космоса, а ионы кислорода — ядра атомов атмосферы. Земная атмосфера состоит главным образом из азота и кислорода, поэтому протон-кислородные столкновения позволяют непосредственно изучать ключевой начальный этап развития атмосферного каскада частиц. 9

Столкновения проходили при энергии 9,62 ТэВ. ATLAS не воспроизводил весь ливень, который развивается на огромной высоте и охватывает многие километры атмосферы. Его задача состояла в точном измерении микроскопического первого столкновения, с которого этот ливень начинается. 6

Что измерил ATLAS

В анализ вошли 246 миллионов отобранных событий. В каждом из них был хотя бы один трек заряженной частицы с поперечным импульсом выше 500 МэВ в области |η| < 2,5, где η — псевдобыстрота, величина, связанная с углом вылета частицы относительно направления пучка. 9

По трекам заряженных частиц коллаборация измерила:

• темпы рождения и число образующихся частиц;
• распределения поперечного импульса;
• распределения по псевдобыстроте, то есть по направлениям вылета;
• сечения взаимодействия — меру вероятности столкновения при заданных условиях. 69

Измеренное сечение протон-кислородного взаимодействия в заданной области эксперимента составило 396 ± 6 (экспериментальная погрешность) ± 9 (светимость) мб. После теоретической экстраполяции на столкновения протона с воздухом неупругое сечение оценили в 406 ± 6 (экспериментальная погрешность) ± 9 (светимость) ± 28 (теория) мб. 9

Как отмечает ATLAS, неопределённости измерений множественности частиц, поперечного импульса и псевдобыстроты составляют несколько процентов. Это примерно на порядок меньше, чем расхождения между моделями адронных взаимодействий, используемыми при моделировании атмосферных ливней. 69

Почему эти данные важны для астрофизики

Наземные обсерватории космических лучей обычно не регистрируют исходную частицу напрямую. Они наблюдают вторичные частицы, возникающие при её столкновениях с атмосферой, и по их свойствам восстанавливают энергию и, возможно, состав первичного космического луча. Такие выводы зависят от моделирования сильных адронных взаимодействий, а существующие модели пока не дают полностью совпадающих предсказаний. 6

Результаты протон-кислородных столкновений дают разработчикам моделей лабораторные данные для настройки вероятностей взаимодействий, выхода частиц, распределений импульсов, углов вылета и сечений. Экстраполяция к столкновениям протона с воздухом ещё теснее связывает измерения с реальной атмосферой Земли. 69

Что это может сказать о космических лучах

Первичный протон и более тяжёлое атомное ядро формируют ливни по-разному и с разными флуктуациями. Поэтому лучше откалиброванные симуляции способны уменьшить систематическую неопределённость при оценке того, являются ли космические лучи сверхвысоких энергий преимущественно ядрами водорода или более тяжёлыми элементами. Это возможная польза новых данных, а не прямой вывод измерения ATLAS. 69

Состав космических лучей важен и для понимания их вероятных ускорителей: магнитное отклонение и предельная энергия ускорения зависят от свойств ядра. Более точные оценки состава могут сделать строже проверки сценариев, связанных, например, со средами вокруг взрывающихся звёзд или сверхмассивных чёрных дыр. Однако данное измерение не определяет источники космических лучей и не доказывает конкретный механизм их ускорения. 69

Важное ограничение эксперимента

Столкновения на LHC — это калибровка первой, определяющей стадии атмосферного ливня, а не его полное воспроизведение. Их ценность в том, что часть теоретической неопределённости в физике столкновений заменяется контролируемыми экспериментальными данными, на которых строятся симуляции космических лучей. 69