CERN återskapar kosmiska strålar i laboratoriet för första gången

Fysiker vid CERNs Large Hadron Collider har för första gången genomfört laboratoriemätningar av krockar mellan kosmiska strålar och atmosfäriska gaser, vilket ger en ny inblick i de partikelskurar som ständigt bombarderar jorden. Resultaten, som publicerats i Physical Review Letters, är en storleksordning mer precisa än befintliga datormodeller och kan förändra hur forskare studerar universums mest energirika händelser.journals.aps+1

Återskapar kosmiska regnstormar i laboratoriet

Den 1 juli 2025 introducerade forskare vid CERN syrestrålar i Large Hadron Collider för första gången och lät dem krocka med protoner vid en masscentrumenergi på 9,62 TeV. Protonstrålen fungerade som en ersättning för kosmiska strålar, snabbrörliga atomkärnor, främst väte, som strömmar genom universum från exploderande stjärnor och supermassiva svarta hål, medan syrestrålen representerade jordens atmosfär. Krockarna återskapade de första ögonblicken av vad forskare kallar kosmiska regnstormar, de kaskader av partiklar som utlöses när kosmiska strålar träffar atmosfäriska atomer.phys+1

ATLAS-experimentet, en detektor i storlek med en fotbollsplan bemannad av tusentals forskare, fångade miljontals närbilder av partikelskurarna med hjälp av en kamera med 100 miljoner pixlar som kan registrera upp till 40 miljoner krockar per sekund. Forskarna analyserade 246 miljoner utvalda händelser för att mäta antal, energi och vinklar hos de producerade partiklarna, och uppnådde en precision som är mer än tio gånger högre än skillnaderna mellan konkurrerande hadroniska interaktionsmodeller.arxiv+1

Brobyggande mellan partikelfysik och astrofysik

Studien leddes av fysikern Jesse Liu, numera vid New York University, som ägnade år åt att samarbeta med fysikern Lydia Beresford för att argumentera för att konfigurera om befintliga CERN-instrument för att studera kosmiska strålar. Enligt ett pressmeddelande från NYU bidrar resultaten till att tyda ursprunget till interstellära partiklar från kosmos och representerar de första mätningarna av kosmiska regnstormar återskapade under kontrollerade laboratorieförhållanden.phys+1

Mätningarna inkluderar ett fiducialt proton-syre-tvärsnitt och ett extrapolerat oelastiskt proton-luft-tvärsnitt, data som kommer att hjälpa forskare att fastställa sammansättningen av högenergetiska kosmiska strålar, specifikt hur många som är vätekärnor kontra tyngre atomer. Att förstå denna sammansättning kan ge ledtrådar om var kosmiska strålar har sitt ursprung och hur de når extrema energinivåer, frågor som kvarstått sedan Victor Hess först upptäckte kosmiska strålar från en varmluftsballong för mer än ett sekel sedan.arxiv+1

Vad händer härnäst

Studien förnyar banden mellan partikelfysik och högenergi-astrofysik, två fält med delad historia men begränsat samarbete. Som ATLAS noterade i en officiell briefing etablerar resultaten ett nytt sätt att använda LHC som ett laboratorium för kosmiska strålar, vilket öppnar vägen för detaljerade experimentella studier av proton-syre-interaktioner. Dessa förbättrade modeller kommer att vara värdefulla för storskaliga observatorier för kosmiska strålar som Telescope Array-projektet i Utah, som idag förlitar sig på simuleringar som inte är överens med varandra för att tolka data från de mest energirika partiklarna som anländer från kosmos.atlas-public.cern+1