Физики применили Большой адронный коллайдер (БАК) CERN для моделирования процесса проникновения высокоэнергетических космических лучей в атмосферу Земли. Северное сияние, возникающее при попадании частиц от Солнца в атмосферу, создаёт яркие небесные представления в Северном полушарии, которые наблюдают миллионы людей. Однако механизмы столкновения этих частиц, или низкоэнергетических космических лучей, с газами атмосферы изучены недостаточно хорошо.
Ещё более загадочными остаются столкновения с участием высокоэнергетических космических лучей, энергия которых более чем в миллион раз превышает энергию частиц от Солнца и которые происходят от взрывающихся звёзд, или сверхновых. Учёные обычно полагались на компьютерные симуляции для изучения их взаимодействия с атмосферой Земли, но такие методы давали разнообразные, а иногда и противоречивые результаты. Новое исследование международной группы физиков предлагает беспрецедентный подход, который позволяет лучше понять эти межзвёздные явления.
С помощью Большого адронного коллайдера CERN учёные воссоздали процесс попадания высокоэнергетических космических лучей в атмосферу Земли и их столкновения с газами планеты. Результаты, опубликованные в журнале Physical Review Letters, помогают расшифровать происхождение межзвёздных частиц из космоса. «Теперь у нас есть более полное понимание того, как частицы от объектов, более экзотических, чем Солнце, взаимодействуют с нашей атмосферой», — говорит Джесси Лю, доцент физики Нью-Йоркского университета, возглавивший исследование. «Продвигая наши знания о высокоэнергетических космических столкновениях в атмосфере Земли, мы сделали ещё один шаг к разгадке многих тайн нашей Вселенной».
«Опубликованные результаты действительно нечто особенное, поскольку эти данные уникальны, и в наших измерениях мы смогли показать, что наши предыдущие модели для этого типа взаимодействия на самом деле очень неточны», — добавляет Чигдем Иссевер, физик из Университета Гумбольдта в Берлине и один из авторов статьи. Осознавая ограничения компьютерных симуляций, Лю, Иссевер и их коллеги, включая учёных из исследовательского центра DESY в Гамбурге, обратились к Большому адронному коллайдеру — самой мощной в мире машине для физики частиц, расположенной под Женевой, — чтобы разработать инновационный эксперимент, имитирующий столкновение высокоэнергетических космических лучей с атмосферой Земли.
Сосредоточившись на фундаментальной роли кислорода в атмосфере Земли, учёные впервые ввели кислородные пучки в БАК и столкнули их с протонными пучками, генерируемыми коллайдером, которые воспроизводят космические лучи, исходящие от сверхновых. Результаты стали первыми в мире измерениями космических ливней, воссозданных в контролируемых лабораторных условиях. Исследователи сделали миллионы крупноплановых снимков этих результатов с помощью 100-мегапиксельной камеры, которая фиксирует последствия протонных столкновений, происходящих до 40 миллионов раз в секунду.
Являясь частью коллаборации ATLAS в CERN, которая изучает фундаментальную природу материи и основные силы, формирующие Вселенную, это сложное устройство измерило количество, энергии и углы частиц, образовавшихся при столкновении протонов с кислородом, чтобы получить точные портреты рождения этих космических ливней. «Эти новые результаты значительно уточняют наши знания об этих субатомных взаимодействиях и помогут нам в дальнейшем изучении природы космических частиц, дождём падающих с неба», — заключает Лю.