CERN loi ensimmäistä kertaa kosmisia hiukkassuihkuja laboratoriossa

CERNin Large Hadron Colliderin parissa työskentelevät fyysikot ovat tuottaneet ensimmäiset laboratoriotason mittaukset kosmisten säteiden törmäyksistä ilmakehän kaasuihin, mikä tarjoaa uuden näkymän hiukkassuihkuihin, jotka pommittavat jatkuvasti maapalloa. Physical Review Letters -lehdessä julkaistut tulokset ovat suuruusluokkaa tarkempia kuin nykyiset tietokonemallit, ja ne voivat muuttaa tapaa, jolla tutkijat tarkastelevat maailmankaikkeuden korkeaenergiaisimpia tapahtumia.journals.aps+1

Kosmisten myrskyjen luominen laboratoriossa

Heinäkuun 1. päivänä 2025 CERNin tutkijat syöttivät ensimmäistä kertaa happisuihkuja Large Hadron Collideriin ja törmäyttivät niitä protoneihin 9,62 TeV:n massakeskipiste-energialla. Protonisuihku toimi kosmisena säteilynä, eli nopeasti liikkuvina ytiminä, pääasiassa vetyinä, jotka virtaavat maailmankaikkeudessa räjähtävistä tähdistä ja supermassiivisista mustista aukoista, kun taas happisuihku edusti Maan ilmakehää. Törmäykset loivat uudelleen ensimmäiset hetket siitä, mitä tutkijat kutsuvat "kosmisiksi myrskyiksi", eli hiukkaskaskadeiksi, jotka syntyvät kosmisten säteiden osuessa ilmakehän atomeihin.phys+1

ATLAS-koe, jalkapallokentän kokoinen ilmaisin, jossa työskentelee tuhansia tutkijoita, tallensi miljoonia lähikuvia syntyneistä hiukkassuihkuista käyttämällä 100 miljoonan pikselin kameraa, joka pystyy tallentamaan jopa 40 miljoonaa törmäystä sekunnissa. Tutkijat analysoivat 246 miljoonaa valittua tapahtumaa mitatakseen tuotettujen hiukkasten määrää, energioita ja kulmia, saavuttaen yli kymmenen kertaa suuremman tarkkuuden kuin kilpailevien hadronien vuorovaikutusmallien väliset erot.arxiv+1

Hiukkasfysiikan ja astrofysiikan yhdistäminen

Tutkimusta johti fyysikko Jesse Liu, joka työskentelee nykyään New Yorkin yliopistossa. Hän teki vuosia yhteistyötä fyysikko Lydia Beresfordin kanssa perustellakseen CERNin olemassa olevien instrumenttien uudelleenkonfigurointia kosmisten säteiden tutkimiseksi. NYU:n uutistiedotteen mukaan tulokset "auttavat tulkitsemaan kosmisista avaruudesta tulevien tähtienvälisten hiukkasten alkuperää" ja edustavat ensimmäisiä mittauksia kosmisista myrskyistä, jotka on luotu kontrolloiduissa laboratorio-olosuhteissa.phys+1

Mittaukset sisältävät fidusiaalisen protoni-happi-vaikutusalan ja ekstrapoloidun epäelastisen protoni-ilma-vaikutusalan. Nämä tiedot auttavat tutkijoita määrittämään korkeaenergisten kosmisten säteiden koostumusta, erityisesti sitä, kuinka suuri osa niistä on vetyytimiä verrattuna raskaampiin atomeihin. Tämän koostumuksen ymmärtäminen voisi tarjota vihjeitä siitä, mistä kosmiset säteet ovat peräisin ja miten ne saavuttavat äärimmäiset energiat, kysymyksiä, jotka ovat vaivanneet tutkijoita siitä asti, kun Victor Hess löysi kosmiset säteet kuumailmapallosta yli sata vuotta sitten.arxiv+1

Mitä seuraavaksi?

Tutkimus uudistaa hiukkasfysiikan ja korkeaenergisen astrofysiikan välisiä yhteyksiä, jotka ovat kaksi alaa, joilla on yhteinen historia mutta rajallinen yhteistyö. Kuten ATLAS totesi virallisessa tiedotteessaan, tulokset "luovat uuden tavan käyttää LHC:tä kosmisena säteilylaboratoriona, mikä avaa tien yksityiskohtaisille kokeellisille tutkimuksille protoni-happi-vuorovaikutuksista". Nämä parannetut mallit ovat arvokkaita laajamittaisille kosmisten säteiden observatorioille, kuten Utahin Telescope Array -projektille, jotka tällä hetkellä luottavat simulaatioihin, jotka ovat keskenään ristiriidassa tulkitessaan avaruudesta saapuvien korkeaenergiaisimpien hiukkasten dataa.atlas-public.cern+1