Το CERN αναπαράγει για πρώτη φορά καταιγίδες κοσμικών ακτίνων στο εργαστήριο

Φυσικοί που εργάζονται στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων του CERN παρήγαγαν τις πρώτες εργαστηριακές μετρήσεις συγκρούσεων κοσμικών ακτίνων με ατμοσφαιρικά αέρια, προσφέροντας μια νέα ματιά στα καταιγίδες σωματιδίων που βομβαρδίζουν συνεχώς τη Γη. Τα αποτελέσματα, που δημοσιεύθηκαν στο Physical Review Letters, είναι κατά μία τάξη μεγέθους ακριβέστερα από τα υπάρχοντα υπολογιστικά μοντέλα και θα μπορούσαν να αναδιαμορφώσουν τον τρόπο με τον οποίο οι επιστήμονες μελετούν τα γεγονότα υψηλότερης ενέργειας στο σύμπαν.journals.aps+1

Αναπαράγοντας κοσμικές καταιγίδες στο εργαστήριο

Την 1η Ιουλίου 2025, επιστήμονες στο CERN εισήγαγαν για πρώτη φορά δέσμες οξυγόνου στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων και τις συγκρούστηκαν με πρωτόνια σε ενέργεια κέντρου μάζας 9,62 TeV. Η δέσμη πρωτονίων λειτούργησε ως υποκατάστατο των κοσμικών ακτίνων, δηλαδή πυρήνων που κινούνται με μεγάλη ταχύτητα, κυρίως υδρογόνου, οι οποίοι διασχίζουν το σύμπαν από εκρηγνυόμενα αστέρια και υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, ενώ η δέσμη οξυγόνου αντιπροσώπευε την ατμόσφαιρα της Γης. Οι συγκρούσεις αναπαρήγαγαν τις πρώτες στιγμές αυτού που οι ερευνητές αποκαλούν κοσμικές καταιγίδες, τους καταρράκτες σωματιδίων που προκαλούνται όταν οι κοσμικές ακτίνες προσκρούουν σε ατμοσφαιρικά άτομα.phys+1

Το πείραμα ATLAS, ένας ανιχνευτής στο μέγεθος γηπέδου ποδοσφαίρου που στελεχώνεται από χιλιάδες επιστήμονες, κατέγραψε εκατομμύρια κοντινές εικόνες των σπρέι σωματιδίων που προέκυψαν χρησιμοποιώντας μια κάμερα 100 εκατομμυρίων pixel, ικανή να καταγράφει έως και 40 εκατομμύρια συγκρούσεις ανά δευτερόλεπτο. Οι ερευνητές ανέλυσαν 246 εκατομμύρια επιλεγμένα γεγονότα για να μετρήσουν τον αριθμό, τις ενέργειες και τις γωνίες των παραγόμενων σωματιδίων, επιτυγχάνοντας ακρίβεια δέκα φορές μεγαλύτερη από τις διαφορές μεταξύ ανταγωνιστικών μοντέλων αδρονικής αλληλεπίδρασης.arxiv+1

Γεφυρώνοντας τη σωματιδιακή φυσική και την αστροφυσική

Η μελέτη καθοδηγήθηκε από τον φυσικό Jesse Liu, ο οποίος εργάζεται πλέον στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης, και πέρασε χρόνια συνεργαζόμενος με τη φυσικό Lydia Beresford για να τεκμηριώσει την ανάγκη αναδιαμόρφωσης των υπαρχόντων οργάνων του CERN για τη μελέτη των κοσμικών ακτίνων. Σύμφωνα με δελτίο τύπου του NYU, τα αποτελέσματα βοηθούν στην αποκρυπτογράφηση της προέλευσης των διαστρικών σωματιδίων από το σύμπαν και αντιπροσωπεύουν τις πρώτες μετρήσεις κοσμικών καταιγίδων που αναπαράγονται σε ελεγχόμενες εργαστηριακές συνθήκες.phys+1

Οι μετρήσεις περιλαμβάνουν μια ενεργό διατομή πρωτονίου-οξυγόνου και μια παρεκτεταμένη ανελαστική ενεργό διατομή πρωτονίου-αέρα, δεδομένα που θα βοηθήσουν τους επιστήμονες να προσδιορίσουν τη σύσταση των κοσμικών ακτίνων υψηλής ενέργειας, συγκεκριμένα πόσες είναι πυρήνες υδρογόνου σε σύγκριση με βαρύτερα άτομα. Η κατανόηση αυτής της σύστασης θα μπορούσε να προσφέρει στοιχεία για την προέλευση των κοσμικών ακτίνων και τον τρόπο με τον οποίο φτάνουν σε ακραίες ενέργειες, ερωτήματα που παραμένουν από τότε που ο Victor Hess ανακάλυψε για πρώτη φορά τις κοσμικές ακτίνες από ένα αερόστατο πριν από περισσότερο από έναν αιώνα.arxiv+1

Τι ακολουθεί

Η μελέτη ανανεώνει τους δεσμούς μεταξύ της σωματιδιακής φυσικής και της αστροφυσικής υψηλών ενεργειών, δύο πεδία με κοινή ιστορία αλλά περιορισμένη συνεργασία. Όπως σημείωσε το ATLAS σε επίσημη ενημέρωση, τα αποτελέσματα καθιερώνουν έναν νέο τρόπο χρήσης του LHC ως εργαστήριο κοσμικών ακτίνων, ανοίγοντας τον δρόμο για λεπτομερείς πειραματικές μελέτες των αλληλεπιδράσεων πρωτονίου-οξυγόνου. Αυτά τα βελτιωμένα μοντέλα θα είναι πολύτιμα για μεγάλα παρατηρητήρια κοσμικών ακτίνων, όπως το πρόγραμμα Telescope Array στη Γιούτα, τα οποία βασίζονται επί του παρόντος σε προσομοιώσεις που διαφωνούν μεταξύ τους για την ερμηνεία δεδομένων από τα σωματίδια υψηλότερης ενέργειας που φτάνουν από το σύμπαν.atlas-public.cern+1