ATLAS gjorde LHC till ett laboratorium för kosmiska strålar

I juli 2025 kördes Large Hadron Collider (LHC) för första gången med kollisioner mellan protoner och syrejoner. För ATLAS-experimentet vid CERN blev uppställningen en kontrollerad laboratoriemodell av den första växelverkan som sker när en kosmisk stråle träffar jordens atmosfär. 69

Protonen motsvarar den kosmiska strålen – syret atmosfären

I experimentets jämförelse står protonstrålen för partikeln som anländer från rymden, medan syrejonerna representerar atomkärnor i atmosfären. Jordens atmosfär består främst av kväve och syre, vilket gör proton–syre-kollisioner till ett direkt sätt att studera ett avgörande första steg i en atmosfärisk partikelskur. 9

Kollisionerna skedde vid energin 9,62 TeV. ATLAS försökte inte skapa en hel partikelskur genom atmosfären, som kan sträcka sig över många kilometer. I stället mätte forskarna den mikroskopiska startkollisionen med hög precision. 6

Vad ATLAS mätte

Analysen omfattade 246 miljoner utvalda händelser. Varje händelse innehöll minst ett spår från en laddad partikel med tvärgående rörelsemängd över 500 MeV och inom området |η| < 2,5. 9

Utifrån spåren från laddade partiklar mätte ATLAS bland annat:

• produktionshastigheter och antal skapade partiklar,
• fördelningar av tvärgående rörelsemängd,
• pseudorapiditetsfördelningar, som beskriver partiklarnas utsläppsvinklar i förhållande till strålriktningen,
• samt växelverkans tvärsnitt. 69

Det uppmätta proton–syre-tvärsnittet inom experimentets definierade område var 396 ± 6 (experimentellt) ± 9 (luminositet) mb. Efter en teoretisk extrapolering till proton–luft uppskattades det oelastiska tvärsnittet till 406 ± 6 (experimentellt) ± 9 (luminositet) ± 28 (teori) mb. 9

Enligt ATLAS sammanfattning ligger osäkerheterna i mätningarna av multiplicitet, tvärgående rörelsemängd och pseudorapiditet på några få procent. Det är ungefär en tiopotens mindre än skillnaderna mellan de modeller för hadroniska växelverkningar som används i simuleringar av partikelskurar. 69

Därför spelar resultaten roll

Markbaserade observatorier för kosmiska strålar ser vanligen inte den inkommande ursprungspartikeln direkt. De mäter i stället de sekundära partiklar som uppstår när den kolliderar i atmosfären, och använder dem för att uppskatta strålens energi och eventuellt dess sammansättning. Den tolkningen bygger på simuleringar av den starka växelverkan mellan hadroner, där dagens modeller inte är helt överens. 6

Proton–syre-data kan hjälpa utvecklarna av modellerna att anpassa sannolikheter för växelverkan, partikelutbyte, rörelsemängdsfördelningar, utsläppsvinklar och tvärsnitt till laboratoriemätningar. Extrapoleringen till proton–luft ger dessutom en närmare koppling till förhållandena i atmosfären. 69

Kan ge ledtrådar om strålarnas ursprung – men inte svaret direkt

En primär proton och en tyngre atomkärna ger partikelskurar med olika utveckling och variationer. Bättre kalibrerade simuleringar kan därför minska en systematisk osäkerhet i frågan om de mest energirika kosmiska strålarna främst består av vätekärnor, alltså protoner, eller av tyngre grundämnen. Det är en möjlig nytta av ATLAS-data, inte ett direkt resultat av själva mätningen. 69

Sammansättningen påverkar också hur forskare kan tolka tänkbara astrofysiska acceleratorer. Magnetisk avböjning och gränserna för hur mycket energi en partikel kan få beror på atomkärnans egenskaper. En säkrare bestämning av sammansättningen kan därmed stärka tester av scenarier för källor, exempelvis miljöer kring exploderande stjärnor eller supermassiva svarta hål. Den aktuella ATLAS-mätningen pekar dock inte ut några källor och visar inte heller vilken accelerationsmekanism som ligger bakom. 69

En viktig begränsning

LHC-kollisionerna är en kalibrering av den första och avgörande växelverkan i en partikelskur, inte en fullständig återskapning av hela förloppet i atmosfären. Värdet ligger i att en del av den teoretiska osäkerheten ersätts av kontrollerade data om kollisionsfysiken som ligger till grund för simuleringarna av kosmiska strålar. 69