ATLAS 如何把 LHC 變成宇宙射線實驗室

2025 年 7 月，歐洲核子研究組織（CERN）的大型強子對撞機（LHC）首度以質子束與氧離子束進行碰撞。對 ATLAS 實驗而言，這套配置相當於在實驗室中重現宇宙射線撞上地球大氣層時最初、也是最關鍵的一次交互作用。 69

以質子模擬宇宙射線，以氧模擬大氣

在這項實驗的類比中，質子束代表從太空入射的宇宙射線粒子，氧離子則代表大氣中的原子核。地球大氣主要由氮與氧構成，因此質子—氧碰撞能直接探測大氣粒子簇開始形成時的一項核心過程。 9

碰撞能量為 9.62 TeV。ATLAS 的目標並不是在對撞機內製造一整個、可延伸數公里的大氣粒子簇，而是精準測量其起點的微觀碰撞物理。 6

ATLAS 實際量到了什麼？

研究團隊從資料中挑選出 2.46 億個事件；每個事件至少包含一條帶電粒子軌跡，且其橫向動量超過 500 MeV、位於偽快度範圍 (|η| < 2.5) 內。偽快度是粒子物理常用的角度變數，可用來描述粒子相對於束流方向的發射方向。 9

研究人員依據帶電粒子軌跡，測量了：

• 產生粒子的速率與數量；
• 橫向動量分布；
• 偽快度分布，也就是粒子的發射角度分布；
• 交互作用截面，即碰撞發生機率的量化指標。 69

ATLAS 在實驗所定義的相空間內，測得質子—氧的截面為 396 ± 6（實驗）± 9（亮度）mb。再透過理論外推至質子—空氣碰撞，得到非彈性交互作用截面為 406 ± 6（實驗）± 9（亮度）± 28（理論）mb。 9

ATLAS 的摘要指出，粒子數量、橫向動量與偽快度測量的不確定性僅約數個百分點；相較於目前宇宙射線粒子簇模擬所採用的強子交互作用模型彼此差異，精度約高出一個數量級。 69

為何這對宇宙射線研究重要？

地面宇宙射線觀測站通常無法直接看見最初進入大氣層的粒子。它們偵測的是該粒子與大氣碰撞後產生的次級粒子，再從粒子簇反推原始宇宙射線的能量及可能的成分。

但這個推論高度依賴強子交互作用的電腦模擬，而不同模型對這些碰撞的描述尚未完全一致。 6

質子—氧資料讓模型開發者能以實驗室測量結果校準交互作用機率、粒子產額、動量與角度分布，以及交互作用截面；而向質子—空氣碰撞作出的外推，則讓結果更直接對應地球大氣的情境。 69

有助釐清宇宙射線的成分，但不能直接找出來源

原始粒子若是質子，或是較重的原子核，所形成的粒子簇在發展方式與事件間波動上會有所不同。因此，獲得更可靠校準的模擬後，研究人員可望減少系統性不確定性，進而改善對超高能宇宙射線究竟主要是氫核，還是較重元素原子核的判斷。這是新資料可能帶來的效益，並非 ATLAS 此次測量已經得出的直接結論。 69

宇宙射線成分也會影響對其天體加速器的解讀：粒子的磁場偏轉程度與可達到的最高加速能量，都與原子核的性質有關。因此，更準確的成分判定可強化對候選來源情境的檢驗，例如爆炸恆星相關環境，或超大質量黑洞周圍的極端區域。

不過，這次 ATLAS 測量本身沒有定位宇宙射線來源，也沒有證明任何特定的加速機制。 69

關鍵界線：它校準第一撞，不是複製整場粒子簇

LHC 的質子—氧碰撞是對大氣粒子簇第一次關鍵交互作用的校準，而非完整複製整個大氣粒子簇。它的價值在於以可控的實驗數據，取代部分原本必須仰賴理論模型的未知因素，讓宇宙射線觀測所需的模擬建立在更可靠的碰撞物理基礎上。 69