Як ATLAS у CERN перетворив Великий адронний колайдер на лабораторію космічних променів

У липні 2025 року Великий адронний колайдер (LHC) уперше налаштували на зіткнення протонів з іонами кисню. Для експерименту ATLAS це стало контрольованою лабораторною версією першої взаємодії, яка відбувається, коли космічний промінь входить в атмосферу Землі. 69

Протон — «космічний промінь», кисень — атмосфера

У цій аналогії протонний пучок відігравав роль частинки, що прилітає з космосу, а іони кисню — роль ядер в атмосфері. Земна атмосфера складається переважно з азоту та кисню, тому протон-кисневі зіткнення дають прямий спосіб дослідити ключовий початковий етап атмосферного каскаду частинок. 9

Зіткнення відбувалися за енергії 9,62 ТеВ. ATLAS не відтворював увесь каскад, який розвивається в атмосфері на великій висоті й охоплює безліч вторинних частинок. Натомість експеримент із високою точністю виміряв його мікроскопічний старт — перше зіткнення. 6

Що саме виміряв ATLAS

Для аналізу відібрали 246 мільйонів подій. У кожній було щонайменше одне заряджене-партикулярне слідове вимірювання з поперечним імпульсом понад 500 МеВ у межах області |η| < 2,5. 9

За слідами заряджених частинок колаборація визначила:

• темпи утворення та кількість частинок;
• розподіли поперечного імпульсу;
• розподіли псевдошвидкості — параметра, що описує кути вильоту частинок відносно напрямку пучка;
• перерізи взаємодії, тобто міру ймовірності зіткнення за заданих умов. 69

Виміряний переріз протон-кисневої взаємодії у визначеній експериментом області становив 396 ± 6 (експериментальна похибка) ± 9 (світність) мб. Після теоретичної екстраполяції для протон-атмосферних зіткнень непружний переріз оцінили у 406 ± 6 (експериментальна похибка) ± 9 (світність) ± 28 (теорія) мб. 9

За підсумком ATLAS, невизначеності у вимірюваннях множинності частинок, поперечного імпульсу та псевдошвидкості становлять кілька відсотків. Це приблизно на порядок точніше за відмінності між моделями адронних взаємодій, які застосовують для моделювання каскадів космічних променів. 69

Навіщо це потрібно дослідженням космічних променів

Наземні обсерваторії зазвичай не реєструють первинну космічну частинку безпосередньо. Вони спостерігають вторинні частинки, які виникають після її зіткнення з атмосферою, і за характеристиками каскаду оцінюють енергію та, можливо, склад первинної частинки. Для цього потрібні моделювання сильних, або адронних, взаємодій — а наявні моделі не в усьому узгоджуються між собою. 6

Дані протон-кисневих зіткнень дають змогу налаштовувати такі моделі за лабораторними вимірюваннями: уточнювати імовірності взаємодій, вихід частинок, розподіли імпульсів, кути вильоту та перерізи. Екстраполяція до протон-повітряних зіткнень ще тісніше пов’язує результат із реальною атмосферою Землі. 69

Що це може сказати про склад космічних променів

Первинний протон і важче атомне ядро утворюють каскади з різним розвитком та флуктуаціями. Тому краще відкалібровані симуляції здатні зменшити систематичну невизначеність у визначенні того, чи складаються космічні промені найвищих енергій переважно з ядер водню, чи з важчих елементів. Це потенційна користь нових даних, а не безпосередній висновок вимірювання ATLAS. 69

Склад космічних променів важливий і для пошуку їхніх прискорювачів у Всесвіті: від властивостей ядра залежать магнітне відхилення та межі досяжної енергії. Отже, точніше визначення складу може посилити перевірку сценаріїв, пов’язаних, наприклад, із середовищами вибухових зір або надмасивних чорних дір. Водночас це вимірювання не визначає конкретних джерел космічних променів і не доводить механізм їх прискорення. 69

Головне обмеження експерименту

Зіткнення на LHC — це не повне відтворення атмосферного каскаду, а калібрування його першої, вирішальної взаємодії. Їхня цінність у тому, що частину теоретичної невизначеності можна замінити контрольованими даними про фізику зіткнень, на якій ґрунтуються симуляції космічних променів. 69