Promienie kosmiczne zderzone w laboratorium. Modele właśnie legły w gruzach

Czy zderzenie protonu z jądrem tlenu w LHC odsłoni tajemnicę supernowych?. Fot. SimonWaldherr, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Najbardziej energetyczne cząstki we Wszechświecie od dekad wymykają się jasnemu opisowi. Naukowcy z CERN właśnie po raz pierwszy odtworzyli ich zachowanie w kontrolowanym eksperymencie - i okazało się, że dotychczasowe modele rozmijały się z rzeczywistością.

Laboratorium zamiast nieba

→ Czytaj też: Bozon Higgsa zdradza sekret wirtualnych cząstek. Fizycy: „To wirtualna kaczka”

Promienie kosmiczne o najwyższych energiach powstają w supernowych i potrafią nieść ponad milion razy więcej energii niż cząstki płynące ze Słońca. Gdy wpadają w ziemską atmosferę, zderzają się z jądrami gazów, tworząc kaskady cząstek wtórnych - tak zwane wielkie pęki atmosferyczne. Do tej pory fizycy badali je głównie za pomocą symulacji komputerowych, które - jak przyznają sami autorzy - przynosiły mieszane rezultaty.

Międzynarodowy zespół postanowił to zmienić. Wykorzystał Wielki Zderzacz Hadronów (LHC), by w warunkach laboratoryjnych odtworzyć to, co normalnie dzieje się kilkadziesiąt kilometrów nad naszymi głowami. Kluczową decyzją było użycie jonów tlenu - pierwiastka dominującego w ziemskiej atmosferze. Po raz pierwszy w historii LHC wiązki jonów tlenu zderzono z wiązkami protonów, imitującymi promieniowanie kosmiczne z wybuchów gwiazd.

40 milionów zdjęć na sekundę

→ Czytaj też: Antyneutrina z reaktora wykryte 240 km dalej. Wystarczyła woda

Eksperyment wymagał ekstremalnej precyzji. 100-megapikselowa kamera rejestrowała skutki kolizji zachodzących nawet 40 milionów razy na sekundę. Detektory mierzyły jednocześnie liczbę, energie i kierunki cząstek powstających w zderzeniach protonów z tlenem - dając naukowcom bezprecedensowo dokładny obraz zjawiska.

Wyniki okazały się zaskakujące nie tylko dla laików. Cigdem Issever z Uniwersytetu Humboldtów w Berlinie, współautorka badania opisanego w czasopiśmie Physical Review Letters, nie kryje zdziwienia. „Te dane są unikatowe, a według naszych pomiarów wcześniejsze modele tego rodzaju oddziaływań są w rzeczywistości bardzo niedokładne” - komentuje. Miliony szczegółowych zdjęć ujawniły wzorce, których symulacje nie przewidziały.

Deszcz cząstek pod lupą

To, co dzieje się podczas zderzenia wysokoenergetycznego protonu z jądrem tlenu, przypomina miniaturową eksplozję. Powstaje kaskada cząstek - piony, kaony, miony - która rozprzestrzenia się w detektorze. Analiza takiego „deszczu” pozwala fizykom odtworzyć właściwości pierwotnej cząstki kosmicznej: jej energię, kierunek, a nawet wskazówki co do jej pochodzenia.

Dzięki eksperymentowi w LHC naukowcy po raz pierwszy mogli porównać rzeczywiste pomiary z teoretycznymi przewidywaniami. Rozbieżności są na tyle znaczące, że wymuszą rewizję modeli używanych od lat w astrofizyce cząstek. „Teraz lepiej rozumiemy, jak cząstki pochodzące z obiektów bardziej egzotycznych niż Słońce oddziałują z naszą atmosferą” - mówi Jesse Liu z New York University, jeden z głównych autorów badania.

Dlaczego to ma znaczenie

Promienie kosmiczne o ekstremalnych energiach pozostają jedną z największych zagadek astrofizyki. Nie wiadomo dokładnie, jakie obiekty są w stanie rozpędzać cząstki do tak potwornych prędkości - podejrzewa się aktywne jądra galaktyk, rozbłyski gamma czy właśnie supernowe. Żeby to ustalić, trzeba najpierw rozszyfrować, co dokładnie dzieje się, gdy taka cząstka dociera do Ziemi.

Nowe dane z LHC pozwalają skalibrować modele komputerowe używane przez obserwatoria promieni kosmicznych na całym świecie - od Obserwatorium Pierre’a Augera w Argentynie po projekt Telescope Array w Utah. Bez dokładnych pomiarów z laboratorium każda interpretacja sygnałów z tych detektorów obarczona jest niepewnością. „Poszerzając wiedzę o wysokoenergetycznych zderzeniach promieniowania kosmicznego w ziemskiej atmosferze, zrobiliśmy kolejny krok w kierunku rozwikłania wielu tajemnic Wszechświata” - podsumowuje Liu.