В ЦЕРН впервые воспроизвели рождение космического ливня в лаборатории
Физики впервые в лаборатории воспроизвели рождение атмосферных ливней, которые возникают, когда космические лучи врезаются в атомы воздуха над Землёй. Для этого на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН впервые столкнули протоны с ядрами кислорода и получили самые детальные на сегодня данные о первых мгновениях таких «космических дождей» из частиц.
Речь идёт о так называемых широких атмосферных ливнях — каскадах вторичных частиц, которые возникают после удара космического луча по ядру в верхних слоях атмосферы. Именно эти ливни затем достигают поверхности Земли, а их частицы каждую секунду проходят сквозь наши тела почти со скоростью света. До сих пор учёные в основном изучали такие события косвенно, по следам на больших наземных установках, а их развитие в атмосфере приходилось рассчитывать с помощью компьютерных моделей.
Новый эксперимент позволил приблизиться к самому началу этого процесса. 1 июля 2025 года на Большом адронном коллайдере впервые провели столкновения протонов с ядрами кислорода. В такой схеме протон имитировал космический луч, а кислород — один из основных элементов земной атмосферы. Энергия столкновений достигала 9,62 тераэлектронвольта на пару нуклонов. Возникающие при этом частицы регистрировал детектор ATLAS, кремниевые сенсоры которого позволяют с высокой точностью восстанавливать их траектории. Центральная система детектора способна фиксировать более 200 миллионов событий в сутки.
Исследователи измерили, сколько заряженных частиц рождается в таких столкновениях и с какими энергиями они разлетаются. По словам авторов, эти параметры удалось определить с точностью более чем в десять раз лучше, чем это давали существующие модельные предсказания. Это важно потому, что разные компьютерные модели давно расходятся в описании того, как именно формируются атмосферные ливни, а без надёжных экспериментальных данных трудно понять, какая из них ближе к реальности.
Практическое значение работы связано не только с физикой частиц, но и с астрофизикой. Чем точнее учёные понимают первые этапы образования атмосферного ливня, тем надёжнее они могут восстанавливать свойства исходного космического луча — например, был ли он протоном или более тяжёлым атомным ядром. А состав космических лучей напрямую связан с вопросом об их происхождении, будь то взрывы сверхновых, активные ядра галактик или другие экстремальные источники во Вселенной.
При этом исследование не закрывает проблему полностью. Оно описывает конкретный тип столкновения — протон с кислородом — и только первые стадии процесса, тогда как реальные космические лучи имеют широкий диапазон энергий и могут состоять не только из протонов, но и из более тяжёлых ядер. Чтобы окончательно улучшить модели атмосферных ливней, понадобятся новые измерения и сравнение с наблюдениями космических лучей на наземных обсерваториях.
Следующим шагом станет использование этих данных для перенастройки моделей, на которые опираются эксперименты по регистрации космических лучей. Это должно помочь точнее определять состав и происхождение самых энергичных частиц во Вселенной и лучше понять физику процессов, происходящих в её самых экстремальных областях.
Исследование в журнале Physical Review Letters.