大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)準(zhǔn)備探測(cè)宇宙射線陣雨的誕生

宇宙射線是來(lái)自外太空的粒子，通常是質(zhì)子，幾乎以光速傳播。當(dāng)這些粒子中能量最高的粒子撞擊我們的行星大氣時(shí)，它們與大氣中的原子核相互作用，并產(chǎn)生級(jí)聯(lián)的次級(jí)粒子，這些粒子直射到地球的表面。眾所周知，這些大型淋浴器類似于粒子碰撞器(例如CERN的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC))內(nèi)部碰撞時(shí)產(chǎn)生的粒子級(jí)聯(lián)。在2021年開(kāi)始的下一個(gè)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中，最小的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)(大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn))被設(shè)置為探測(cè)觸發(fā)這些宇宙陣雨的第一個(gè)相互作用。

通常使用計(jì)算機(jī)模擬來(lái)解釋對(duì)大范圍風(fēng)淋的觀察，該模擬涉及宇宙射線如何與大氣中的原子核相互作用的模型。但是存在不同的模型，尚不清楚哪種模型最合適。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)非常適合測(cè)試這些模型，并有助于闡明宇宙射線之間的相互作用。

與主要的LHC實(shí)驗(yàn)不同，后者測(cè)量從碰撞線以大角度發(fā)射的粒子，而LHCf實(shí)驗(yàn)則測(cè)量沿“向前”方向(即從碰撞線以小角度)飛出的粒子。這些帶有很大一部分碰撞能量的粒子可用于探測(cè)不同模型的預(yù)測(cè)不匹配的小角度和高能量。

利用來(lái)自質(zhì)子-質(zhì)子LHC碰撞的能量為13 TeV的數(shù)據(jù)，LHCf最近測(cè)量了在以前未經(jīng)探索的高能條件下，正向光子和中子的數(shù)量如何隨粒子能量而變化。這些測(cè)量值與某些型號(hào)比其他型號(hào)更好地吻合，并且廣泛的空氣淋浴的建模者也將這些因素考慮在內(nèi)。

在下一個(gè)LHC運(yùn)行中，由于計(jì)劃的更高的碰撞能量，LHCf應(yīng)該擴(kuò)大探測(cè)到的粒子能量的范圍。另外，由于正在進(jìn)行的升級(jí)工作，該實(shí)驗(yàn)還應(yīng)增加被檢測(cè)和研究的顆粒的數(shù)量和類型。

此外，該實(shí)驗(yàn)計(jì)劃測(cè)量質(zhì)子與輕離子(最可能是氧離子)的碰撞所發(fā)射的正向粒子。引發(fā)大氣中大量空氣淋洗的最初相互作用主要涉及輕原子核，例如氧和氮。因此，LHCf可以在下一次運(yùn)行中探測(cè)這種相互作用，從而在高能量的宇宙射線相互作用模型上嶄露頭角。