ATLAS ने प्रयोगशाळेत cosmic-ray shower पुन्हा तयार करण्यासाठी proton-oxygen collisions वापरले

LHC आकाशातून येणाऱ्या एका समस्येला हाताळत आहे

Cosmic rays सतत पृथ्वीच्या वातावरणावर आदळतात, ज्यामुळे दुय्यम कणांचे साखळीस्वरूप तयार होते आणि ते आकाशभर पसरतात तसेच जमिनीवरील detectors मधून जातात. हे shower विश्वातील काही सर्वाधिक ऊर्जेच्या कणांबद्दलची महत्त्वाची माहिती देतात, पण मूळ collision physics अचूकपणे model करणे कठीण असल्याने त्यांचे अर्थ लावणे अवघड आहे. आता ATLAS Collaboration म्हणते की Large Hadron Collider वरील proton-oxygen collisions चे पहिले मापन ही तफावत कमी करण्यात मदत करू शकते.

हा नवा परिणाम July 2025 मध्ये LHC प्रथमच चालवलेल्या एका mode मधून आला, जेव्हा proton beams आणि oxygen ion beams यांची टक्कर घडवण्यात आली. त्या मांडणीत proton beam एक cosmic ray सारखे वागते, तर oxygen beam पृथ्वीच्या वातावरणातील एका भागाचे प्रतिनिधित्व करते, जो मुख्यत्वे nitrogen आणि oxygen ने बनलेला आहे. त्यामुळे वातावरणीय particle showers चालवणाऱ्या मूलभूत interactions पैकी एकाची नियंत्रित पुनर्रचना करणे शक्य होते.

Cosmic-ray डेटा समजणे इतके कठीण का आहे

आधुनिक cosmic-ray observatories वातावरणावर आदळल्यानंतर तयार होणाऱ्या shower चे निरीक्षण करून येणाऱ्या कणांचे स्वरूप ठरवतात. पण त्या shower patterns strong force वर अवलंबून असतात, जी निसर्गातील मूलभूत interactions पैकी एक आहे आणि cosmic rays शी संबंधित उच्च-ऊर्जा, बहु-कण परिस्थितींमध्ये तिचे मॉडेल बनवणे अत्यंत कठीण आहे.

CERN च्या म्हणण्यानुसार, सध्याच्या simulations एकमेकांशी जुळत नाहीत. त्या मतभेदांमुळे जमिनीवरील मोजमापांमधून astrophysicists काय निश्चितपणे ठरवू शकतात, यावर मर्यादा येतात. simulation framework चुकीचा असेल, तर cosmic rays ची ऊर्जा, रचना किंवा उगम याबाबतचे निष्कर्षही विकृत होऊ शकतात.

इथेच collider डेटा उपयुक्त ठरतो. प्रयोगशाळेतील collision नैसर्गिक cosmic-ray घटनेची प्रत्येक वैशिष्ट्ये पुन्हा निर्माण करत नाही, पण अधिक नियंत्रित परिस्थितीत particle production चे थेट मापन देते. ही मोजमापे observatories अवलंबून असलेल्या simulation tools ची चाचणी आणि fine-tuning करण्यासाठी वापरली जाऊ शकतात.

ATLAS ने प्रत्यक्षात काय मोजले

collaboration च्या preprint नुसार, physicists ने proton-oxygen collisions मध्ये निर्माण झालेल्या electrically charged particles चे ट्रॅकिंग करून त्यांचे विश्लेषण केले. त्यांनी हे कण किती वेळा निर्माण झाले, किती निर्माण झाले, आणि collision क्षेत्रातून कोणत्या ऊर्जा व कोनात बाहेर आले, हे मोजले.

अशी माहिती shower models ना नेमकी हवी असते. cosmic-ray cascade चे सुरुवातीचे टप्पे incoming high-energy particle आपली ऊर्जा secondary particles च्या spray मध्ये कशी हस्तांतरित करते यावर ठरतात. multiplicity, angular spread आणि energy distribution मधील फरक संपूर्ण simulated shower मध्ये पसरू शकतात.

यानंतर ATLAS ने मोजलेल्या charged-particle distributions ची तुलना cosmic-ray observatories चा डेटा समजावून सांगण्यासाठी वापरल्या जाणाऱ्या अनेक simulations च्या अंदाजांशी केली. उद्देश फक्त पहिले मापन प्रकाशित करणे नव्हते, तर models कुठे जुळतात आणि कुठे अपयशी ठरतात हे ओळखणेही होता.

एक collider, cosmic-ray प्रयोगशाळा बनली

या परिणामाची संकल्पनात्मक ताकद ठळक आहे. LHC सहसा Higgs boson किंवा नवीन कण शोधण्यासारख्या fundamental particle physics प्रश्नांशी जोडला जातो. इथे ATLAS वेगळ्या भूमिकेत काम करत आहे: astrophysics साठी calibration laboratory म्हणून. तो पृथ्वीपासून दशके किलोमीटर वर नैसर्गिकरीत्या घडणाऱ्या collision प्रकाराची अधिक स्वच्छ वातावरणात पुनर्रचना करत आहे.

particle physics आणि cosmic-ray science यांच्यातील हा पूल विशेषतः मौल्यवान आहे, कारण सर्वात जास्त ऊर्जा पातळीवरील प्राथमिक cosmic rays चे थेट मापन दुर्मिळ आणि कठीण आहे. atmospheric showers समजावण्यासाठी वापरल्या जाणाऱ्या models मध्ये सुधारणा करून collider डेटा अप्रत्यक्षपणे observatories काढत असलेले निष्कर्ष अधिक अचूक करू शकतो.

हे काम वातावरणाबद्दलचा एक व्यावहारिक मुद्दाही दाखवते. oxygen हा हवेचा प्रमुख घटक असल्याने proton-oxygen data अनेक standard proton-proton collider datasets पेक्षा cosmic-ray interactions साठी अधिक थेट संबंधित आहे. त्यामुळे हे मापन एक सर्वसाधारण input नसून लक्ष्यित input ठरते.

पुढे काय बदलते

सध्याचा निकाल पहिल्या proton-oxygen collision run वर आधारित आहे आणि arXiv वर पोस्ट केलेल्या paper म्हणून वर्णन केला जातो, त्यामुळे तो अंतिम उत्तर नाही, तर सुरुवातीचा टप्पा आहे. तरीही, त्यातून cosmic-ray research मधील केंद्रस्थानी असलेल्या hadronic interaction models चे benchmark आणि सुधारणा करण्यासाठी वापरता येईल असा नवीन dataset तयार झाला आहे.

उत्तम models मुळे cosmic rays काय आहेत आणि कुठून येतात याचे अधिक चांगले reconstructions शक्य होतील. तोच दीर्घकालीन वैज्ञानिक फायदा आहे. observatories जर त्यांच्या shower simulations वर अधिक भरोसा ठेवू शकले, तर अर्थ लावण्यातील मतभेद modelling पेक्षा स्रोतांच्या astrophysics शी अधिक संबंधित राहतील.

ATLAS ने एका झटक्यात cosmic-ray puzzle सुटवलेले नाही. पण त्याने काय केले आहे, ते म्हणजे त्याच्या सर्वात कठीण uncertainties पैकी एका वर नवीन experimental foothold दिला आहे. proton-oxygen collisions थेट मोजून, या सहयोगाने एक particle collider असा साधन बनवला आहे, जो ग्रहाच्या वर सुरू होणाऱ्या आणि दर सेकंदाला आपल्या आसपासच्या हवेत समाप्त होणाऱ्या phenomena समजून घेण्यास मदत करतो.

हा लेख Phys.org च्या रिपोर्टिंगवर आधारित आहे. मूळ लेख वाचा.