Fizičari u CERN-u prvi su put sudarili protone s ionima kisika u Velikom hadronskom sudaraču (LHC). Mjerenja detektora ATLAS pomažu provjeriti modele pljuskova čestica koji nastaju kada kozmičke zrake uđu u Zemljinu atmosferu. Sama mjerenja ne otkrivaju odakle te zrake dolaze.
Kozmičke zrake nisu svjetlost, nego čestice iz svemira, uglavnom protoni i atomske jezgre, koje putuju gotovo brzinom svjetlosti. Kada uđu u atmosferu, sudaraju se s atomskim jezgrama i stvaraju niz novih čestica. Taj se proces ponavlja: nastale čestice sudaraju se s drugim jezgrama, pa u atmosferi nastaje širok pljusak čestica. Dio čestica stigne do tla, gdje ih bilježe opservatoriji.
Iz tih tragova istraživači pokušavaju rekonstruirati energiju i sastav prvotne kozmičke zrake. Za to koriste računalne simulacije koje opisuju kako se čestice ponašaju pri sudarima. Različiti modeli ne daju uvijek jednake rezultate, a upravo te razlike otežavaju tumačenje mjerenja s tla.
U CERN-u su proučili sudare nalik onima u atmosferi
U srpnju 2025. znanstvenici su u LHC-u prvi put sudarili protone s ionima kisika. Snop protona poslužio je kao model kozmičke zrake, a ion kisika predstavljao je atomsku jezgru s kojom se ona može sudariti u atmosferi. Laboratorij je omogućio da se takav sudar prouči u kontroliranim uvjetima.
Kisik nije vjerna zamjena za cijelu Zemljinu atmosferu, koja se najvećim dijelom sastoji od dušika. Pokus je fizičarima omogućio da izdvoje pojedinačni sudar i detaljno izmjere njegove proizvode. U prirodi se takve interakcije odvijaju na velikim visinama i pokreću pljuskove čestica; u akceleratoru ih je moguće ponavljati pod jednakim uvjetima.
Detektor ATLAS bilježio je tragove električki nabijenih čestica nastalih u sudarima. U analizu je uključeno 246 milijuna odabranih događaja. Istraživači su mjerili koliko takvih čestica nastaje te kako se raspoređuju prema smjeru i poprečnoj količini gibanja. Energija sudara u sustavu centra mase iznosila je 9,62 TeV po paru nukleona.
Poprečna komponenta količine gibanja opisuje gibanje čestice okomito na smjer snopa. Njezin raspored pokazuje kako se energija sudara prenosi na novonastale čestice. U analizu su uključili samo tragove čestica koje je detektor mogao pouzdano izmjeriti, a ne sve čestice nastale u sudaru. Tako su istraživači uspoređivali konkretne podatke s predviđanjima simulacija pod istim uvjetima.
U atmosferskom pljusku svaka generacija čestica prenosi dio energije na sljedeću. Simulacije moraju predvidjeti vjerojatnost sudara i raspodjelu energije među novim česticama. Odstupanje u jednom koraku može utjecati na izračun cijelog procesa. Mjerenje u LHC-u omogućuje da se ti izračuni provjere u poznatim uvjetima, prije nego što se njima tumače tragovi zabilježeni na tlu.
Rezultati su opisani u radu prihvaćenom za objavu u časopisu Physical Review Letters. Usporedba s postojećim simulacijama pokazala je da je mjerna nesigurnost novih rezultata otprilike deset puta manja od razlika između predviđanja više modela koji opisuju sudare protona i atomskih jezgri.
Precizniji modeli olakšavaju tumačenje mjerenja
Manja mjerna nesigurnost pomaže utvrditi u čemu se predviđanja modela razlikuju od izmjerenih rezultata. Kad se simulacije usklade s laboratorijskim podacima, opservatoriji mogu pouzdanije procijeniti svojstva čestice koja je pokrenula atmosferski pljusak. To je osobito važno pri proučavanju kozmičkih zraka vrlo visokih energija, čije je podrijetlo teško odrediti samo na temelju čestica zabilježenih na tlu.
Podrijetlo najenergičnijih kozmičkih zraka i dalje je otvoreno pitanje. Primjer je čestica poznata pod nadimkom Amaterasu, čija se energija teško može povezati s poznatim izvorima u Mliječnoj stazi. Mjerenja u CERN-u neće pokazati koji je objekt ubrzao takve čestice, ali mogu poboljšati modele koji znanstvenicima pomažu protumačiti njihove tragove u atmosferi.
Na temelju podataka tim je procijenio i neelastični presjek sudara protona sa zrakom – veličinu koja opisuje vjerojatnost da pri takvoj interakciji nastanu nove čestice. Procjena iznosi 406 milibarna. Vrijednost nije dobivena izravnim mjerenjem sudara kozmičke zrake sa Zemljinom atmosferom, nego je izvedena iz pokusa s kisikom i uključuje teorijsku nesigurnost.
Što ovaj pokus ne može otkriti
Pokus je zabilježio čestice nastale u akceleratoru, a ne kozmičke zrake koje iz svemira stižu u atmosferu. Ne može utvrditi gdje su te zrake nastale ni što ih je ubrzalo. Njegovi rezultati daju laboratorijske podatke za provjeru modela sudara s atomskim jezgrama, koji se zatim koriste pri tumačenju atmosferskih pljuskova.
Precizniji modeli pomoći će astronomima da iz čestica zabilježenih na tlu pouzdanije procijene energiju i sastav kozmičke zrake koja je pokrenula atmosferski pljusak. Za utvrđivanje njezina izvora i dalje su potrebna astronomska mjerenja.
