CERN erzeugt erstmals kosmische Teilchenschauer im Labor

Physiker am Large Hadron Collider des CERN haben erstmals Labormessungen von Kollisionen kosmischer Strahlung mit atmosphärischen Gasen durchgeführt und damit einen neuen Einblick in die Teilchenschauer gewonnen, die ständig auf die Erde treffen. Die Ergebnisse, die in Physical Review Letters veröffentlicht wurden, sind um eine Größenordnung präziser als bestehende Computermodelle und könnten die Erforschung der energiereichsten Ereignisse im Universum grundlegend verändern.journals.aps+1

Kosmische Regenstürme im Labor nachgestellt

Am 1. Juli 2025 leiteten Wissenschaftler am CERN erstmals Sauerstoffstrahlen in den Large Hadron Collider und ließen sie bei einer Schwerpunktsenergie von 9,62 TeV mit Protonen kollidieren. Der Protonenstrahl diente als Ersatz für kosmische Strahlung, also schnell bewegte Atomkerne, hauptsächlich Wasserstoff, die aus explodierenden Sternen und supermassereichen Schwarzen Löchern durch das Universum strömen, während der Sauerstoffstrahl die Erdatmosphäre repräsentierte. Die Kollisionen stellten die ersten Momente dessen nach, was Forscher als kosmische Regenstürme bezeichnen: die Kaskaden von Teilchen, die ausgelöst werden, wenn kosmische Strahlung auf atmosphärische Atome trifft.phys+1

Das ATLAS-Experiment, ein Detektor von der Größe eines Fußballfeldes, an dem Tausende Wissenschaftler arbeiten, fing Millionen von Nahaufnahmen der resultierenden Teilchensprays mit einer 100-Millionen-Pixel-Kamera ein, die bis zu 40 Millionen Kollisionen pro Sekunde aufzeichnen kann. Die Forscher analysierten 246 Millionen ausgewählte Ereignisse, um Anzahl, Energien und Winkel der produzierten Teilchen zu messen, und erreichten eine Präzision, die mehr als zehnmal höher ist als die Unterschiede zwischen konkurrierenden hadronischen Interaktionsmodellen.arxiv+1

Brückenschlag zwischen Teilchenphysik und Astrophysik

Die Studie wurde von dem Physiker Jesse Liu geleitet, der heute an der New York University tätig ist und jahrelang mit der Physikerin Lydia Beresford zusammenarbeitete, um den Einsatz bestehender CERN-Instrumente zur Untersuchung kosmischer Strahlung zu begründen. Laut einer Pressemitteilung der NYU helfen die Ergebnisse dabei, die Ursprünge interstellarer Teilchen aus dem Kosmos zu entschlüsseln, und stellen die ersten Messungen von kosmischen Regenstürmen dar, die unter kontrollierten Laborbedingungen nachgestellt wurden.phys+1

Die Messungen umfassen einen fiduzialen Proton-Sauerstoff-Wirkungsquerschnitt und einen extrapolierten inelastischen Proton-Luft-Wirkungsquerschnitt. Diese Daten werden Wissenschaftlern helfen, die Zusammensetzung hochenergetischer kosmischer Strahlung zu bestimmen, insbesondere das Verhältnis von Wasserstoffkernen zu schwereren Atomen. Das Verständnis dieser Zusammensetzung könnte Hinweise darauf geben, woher kosmische Strahlung stammt und wie sie extreme Energien erreicht, Fragen, die seit der Entdeckung der kosmischen Strahlung durch Victor Hess in einem Heißluftballon vor über einem Jahrhundert bestehen.arxiv+1

Wie es weitergeht

Die Studie erneuert die Verbindungen zwischen Teilchenphysik und Hochenergie-Astrophysik, zwei Fachgebieten mit gemeinsamer Geschichte, aber begrenzter Zusammenarbeit. Wie ATLAS in einem offiziellen Briefing feststellte, etablieren die Ergebnisse eine neuartige Methode, den LHC als Labor für kosmische Strahlung zu nutzen, und ebnen den Weg für detaillierte experimentelle Studien von Proton-Sauerstoff-Interaktionen. Diese verbesserten Modelle werden für große Observatorien für kosmische Strahlung, wie das Telescope Array-Projekt in Utah, von großem Wert sein, da diese derzeit auf Simulationen angewiesen sind, die sich bei der Interpretation von Daten der energiereichsten Teilchen aus dem Kosmos widersprechen.atlas-public.cern+1