ATLAS biến LHC thành phòng thí nghiệm tia vũ trụ như thế nào

Vào tháng 7/2025, Máy gia tốc Hadron Lớn (LHC) tại CERN lần đầu được cấu hình để cho proton va chạm với ion oxy. Với thí nghiệm ATLAS, đây là một mô hình phòng thí nghiệm có kiểm soát cho tương tác đầu tiên xảy ra khi một tia vũ trụ lao vào khí quyển Trái Đất. 69

Proton đóng vai tia vũ trụ, oxy đóng vai khí quyển

Trong phép tương tự này, chùm proton đại diện cho hạt từ không gian đi vào khí quyển, còn ion oxy đại diện cho các hạt nhân trong khí quyển. Khí quyển Trái Đất chủ yếu gồm nitơ và oxy, vì vậy va chạm proton–oxy là cách trực tiếp để khảo sát một khâu then chốt khởi đầu cho “mưa” hạt trong khí quyển. 9

Các va chạm diễn ra ở năng lượng 9,62 TeV. ATLAS không tái tạo toàn bộ cơn mưa hạt có thể lan rộng qua nhiều tầng khí quyển; mục tiêu là đo chính xác va chạm vi mô ban đầu, nơi chuỗi hạt thứ cấp bắt đầu. 6

ATLAS đã đo những gì?

Phân tích sử dụng 246 triệu sự kiện được tuyển chọn. Mỗi sự kiện có ít nhất một vết của hạt mang điện với động lượng ngang lớn hơn 500 MeV, trong vùng giả độ nhanh (|η| < 2,5). 9

Từ các vết hạt mang điện, nhóm ATLAS đo:

• tốc độ tạo hạt và số lượng hạt sinh ra;
• phân bố động lượng ngang;
• phân bố giả độ nhanh, đại diện cho góc hạt phát ra so với trục chùm;
• tiết diện tương tác. 69

Tiết diện proton–oxy đo được trong vùng xác định của thí nghiệm là 396 ± 6 (thực nghiệm) ± 9 (độ sáng chùm) mb. Khi ngoại suy theo lý thuyết sang va chạm proton–không khí, tiết diện không đàn hồi được ước tính là 406 ± 6 (thực nghiệm) ± 9 (độ sáng chùm) ± 28 (lý thuyết) mb. 9

Theo phần tóm tắt của ATLAS, bất định của các phép đo về độ bội hạt, động lượng ngang và giả độ nhanh chỉ ở mức vài phần trăm — nhỏ hơn khoảng một bậc độ lớn so với chênh lệch giữa các mô hình tương tác hadron đang được dùng để mô phỏng mưa tia vũ trụ. 69

Vì sao các số liệu này quan trọng?

Các đài quan sát tia vũ trụ trên mặt đất thường không nhìn thấy trực tiếp hạt sơ cấp từ không gian. Thay vào đó, chúng ghi nhận các hạt thứ cấp sinh ra khi hạt sơ cấp va vào khí quyển, rồi suy ra năng lượng và có thể cả thành phần của hạt ban đầu. Quá trình này phụ thuộc vào mô phỏng tương tác hadron mạnh, trong khi các mô hình hiện có vẫn chưa hoàn toàn thống nhất với nhau. 6

Dữ liệu proton–oxy cho phép các nhà xây dựng mô hình hiệu chỉnh xác suất tương tác, suất tạo hạt, phân bố động lượng, góc phát xạ và tiết diện theo số liệu phòng thí nghiệm. Việc ngoại suy sang proton–không khí đưa kết quả đến gần hơn với điều kiện thực trong khí quyển. 69

Điều này có thể tiết lộ gì về tia vũ trụ?

Một proton sơ cấp và một hạt nhân nặng hơn sẽ tạo ra các mưa hạt có quá trình phát triển cũng như mức dao động khác nhau. Vì vậy, mô phỏng được hiệu chuẩn tốt hơn có thể giảm một nguồn sai số hệ thống quan trọng khi xác định các tia vũ trụ năng lượng cực cao chủ yếu là hạt nhân hydro hay những nguyên tố nặng hơn. Đây là lợi ích kỳ vọng từ dữ liệu mới, không phải kết luận trực tiếp của phép đo ATLAS. 69

Thành phần của tia vũ trụ cũng ảnh hưởng đến cách diễn giải các nguồn gia tốc thiên văn khả dĩ: độ lệch trong từ trường và giới hạn gia tốc phụ thuộc vào tính chất của hạt nhân. Do đó, việc xác định thành phần chính xác hơn có thể củng cố các kiểm tra đối với những kịch bản nguồn như môi trường quanh sao nổ hoặc lỗ đen siêu nặng. Tuy nhiên, phép đo này không xác định được nguồn tia vũ trụ và cũng không chứng minh một cơ chế gia tốc cụ thể. 69

Giới hạn cần lưu ý

Va chạm tại LHC là một phép hiệu chuẩn cho tương tác đầu tiên mang tính quyết định của mưa hạt, chứ không phải bản sao hoàn chỉnh của toàn bộ mưa tia vũ trụ trong khí quyển. Giá trị cốt lõi của nó là thay thế một phần bất định lý thuyết bằng dữ liệu có kiểm soát về vật lý va chạm — nền tảng cho các mô phỏng tia vũ trụ. 69