ATLAS, ల్యాబ్‌లో cosmic-ray showerలను తిరిగి సృష్టించేందుకు proton-oxygen collisions‌ను ఉపయోగించింది

LHC ఆకాశం నుండి వచ్చే ఒక సమస్యను ఎదుర్కొంటోంది

Cosmic rays నిరంతరం భూమి వాతావరణాన్ని ఢీకొంటూ, ద్వితీయ కణాల వరుసలను సృష్టిస్తాయి; అవి ఆకాశంలో వ్యాపించి, నేలపై ఉన్న detectors ద్వారా గమనం చేస్తాయి. ఆ showerలు విశ్వంలోని అత్యంత అధిక శక్తి గల కణాల గురించి సమాచారానికి ముఖ్యమైన మూలం, కానీ మూల collision physics‌ను ఖచ్చితంగా model చేయడం కష్టమైనందున వాటిని అర్థం చేసుకోవడం సులభం కాదు. ఇప్పుడు ATLAS Collaboration, Large Hadron Collider‌లో proton-oxygen collisions‌పై తన తొలి కొలత ఈ అంతరాన్ని తగ్గించగలదని చెబుతోంది.

ఈ కొత్త ఫలితం LHC July 2025లో మొదటిసారిగా నడిపిన ఒక mode నుంచి వచ్చింది; అప్పట్లో అది proton beams‌ను oxygen ion beams‌తో ఢీకొట్టింది. ఆ ఏర్పాటు‌లో proton beam ఒక cosmic rayలా పనిచేస్తుంది, oxygen beam భూమి వాతావరణంలోని భాగాన్ని సూచిస్తుంది, ఇది ప్రధానంగా nitrogen మరియు oxygen‌తో రూపొందింది. అందువల్ల, వాతావరణ particle showers‌కు ఆధారమైన మౌలిక పరస్పర చర్యలలో ఒకటిని నియంత్రిత పద్ధతిలో తిరిగి సృష్టించే మార్గం అందుతుంది.

Cosmic-ray డేటాను అర్థం చేసుకోవడం ఎందుకు కష్టం

ఆధునిక cosmic-ray observatories, వాతావరణాన్ని ఢీకొన్న తర్వాత ఏర్పడే showerలను గుర్తించి, లోపలికి వచ్చే కణాల స్వభావాన్ని ఊహిస్తాయి. కానీ ఆ shower patterns strong force‌పై ఆధారపడతాయి; ఇది ప్రకృతిలోని మౌలిక పరస్పర చర్యలలో ఒకటి, మరియు cosmic rays‌కు సంబంధించిన అధిక-శక్తి, బహు-కణ వాతావరణాల్లో దీన్ని model చేయడం చాలా కష్టం.

CERN చెప్పినట్లుగా, ప్రస్తుత simulations ఒకదానికొకటి సరిపోవడం లేదు. ఆ అసమ్మతి, నేలపై చేసిన కొలతల నుండి astrophysicists నిశ్చయంగా ఏమి తేల్చగలరో పరిమితం చేస్తోంది. simulation framework తప్పుగా ఉంటే, cosmic rays యొక్క energy, composition లేదా origin గురించి వచ్చే నిర్ణయాలు కూడా వక్రీకరించబడవచ్చు.

ఇక్కడే collider data ఉపయోగపడుతుంది. ఒక ప్రయోగశాల collision సహజ cosmic-ray సంఘటనలోని ప్రతి లక్షణాన్ని పునరుత్పత్తి చేయదు; కానీ మరింత నియంత్రిత పరిస్థితుల్లో particle productionపై ప్రత్యక్ష కొలతలను అందించగలదు. ఆ కొలతలను observatories ఆధారపడే simulation tools‌ను పరీక్షించడానికి, సరిచేయడానికి ఉపయోగించవచ్చు.

ATLAS వాస్తవానికి ఏమి కొలిచింది

collaboration preprint ప్రకారం, physicists proton-oxygen collisions‌లో ఏర్పడిన electrically charged particles‌ను ట్రాక్ చేసి విశ్లేషించారు. ఆ పరస్పర చర్యల్లో అలాంటి కణాలు ఎంత తరచుగా ఏర్పడ్డాయి, ఎంతమంది ఉత్పత్తి అయ్యాయి, మరియు collision ప్రాంతం నుండి అవి ఏ energies, angles‌లో బయటపడ్డాయి అన్నదాన్ని వారు కొలిచారు.

అలాంటి సమాచారం shower models‌కు ఖచ్చితంగా అవసరం. cosmic-ray cascade యొక్క ప్రారంభ దశలు, incoming high-energy particle తన energyని secondaries అనే sprayకు ఎలా బదిలీ చేస్తుందనే దానిపై ఆధారపడతాయి. multiplicity, angular spread మరియు energy distribution‌లో తేడాలు మొత్తం simulated shower‌లో వ్యాపిస్తాయి.

ఆ తర్వాత ATLAS, కొలిచిన charged-particle distributions‌ను cosmic-ray observatories డేటాను అర్థం చేసుకోవడానికి సాధారణంగా ఉపయోగించే అనేక simulations అంచనాలతో పోల్చింది. లక్ష్యం కేవలం తొలి కొలతను ప్రచురించడం మాత్రమే కాదు, modelలు ఎక్కడ సరిపోతున్నాయి, ఎక్కడ విఫలమవుతున్నాయి అన్నదాన్ని కూడా గుర్తించడం.

ఒక collider, cosmic-ray ప్రయోగశాలగా మారింది

ఈ ఫలితంలోని అసాధారణ బలం భావనాత్మకమైనది. LHC సాధారణంగా Higgs boson లేదా కొత్త కణాల అన్వేషణ వంటి fundamental particle physics ప్రశ్నలతో అనుసంధానించబడుతుంది. ఇక్కడ ATLAS వేరే పాత్రలో పనిచేస్తోంది: astrophysics కోసం calibration laboratoryగా. ఇది భూమికి దశాబ్దాల కిలోమీటర్లు పైన సహజంగా జరిగే collision class‌ను మరింత శుభ్రమైన వాతావరణంలో పునఃసృష్టిస్తోంది.

particle physics మరియు cosmic-ray science మధ్య ఈ బంధం ప్రత్యేకంగా విలువైనది, ఎందుకంటే అత్యధిక energies వద్ద primary cosmic rays‌ను ప్రత్యక్షంగా కొలవడం అరుదు, కష్టం. వాతావరణ showerలను వివరించడానికి ఉపయోగించే models‌ను మెరుగుపరచడం ద్వారా, collider data పరోక్షంగా observatories తీసుకునే నిర్ణయాలను మరింత ఖచ్చితంగా మార్చగలదు.

ఈ పని వాతావరణం గురించి ఒక ప్రాయోగిక అంశాన్ని కూడా చూపిస్తోంది. oxygen గాలిలో ప్రధాన భాగం కాబట్టి, proton-oxygen data అనేది అనేక standard proton-proton collider datasets కంటే cosmic-ray పరస్పర చర్యలకు నేరుగా సంబంధించినది. అందువల్ల ఈ కొలత ఒక సాధారణ input కాదు, లక్ష్యిత input అవుతుంది.

తర్వాత ఏమి మారుతుంది

ప్రస్తుత ఫలితం మొదటి proton-oxygen collision run‌పై ఆధారపడింది మరియు arXiv‌లో పోస్టు చేసిన paper‌గా వివరించబడింది, కాబట్టి ఇది తుది సమాధానం కాకుండా తొలి అడుగు మాత్రమే. అయినప్పటికీ, ఇది cosmic-ray researchలో కీలకమైన hadronic interaction models‌ను benchmark చేసి మెరుగుపరచడానికి ఉపయోగపడే కొత్త dataset‌ను స్థాపిస్తుంది.

మెరుగైన models చివరికి cosmic rays ఏమిటి, ఎక్కడి నుంచి వస్తాయి అనే విషయాలపై మరింత ఖచ్చితమైన reconstructions‌ను అందిస్తాయి. అదే దీర్ఘకాల శాస్త్రీయ లాభం. observatories తమ shower simulations‌పై ఎక్కువ నమ్మకం పెట్టుకోగలిగితే, వివరణలోని విభేదాలు modeling కన్నా sources యొక్క astrophysics‌తో ఎక్కువగా సంబంధించబడతాయి.

ATLAS ఒకే దెబ్బకు cosmic-ray పజిల్‌ను పరిష్కరించలేదు. కానీ అది చేసినది, దాని అత్యంత stubborn uncertaintiesలో ఒకదానిపై కొత్త experimental foothold‌ను అందించడం. proton-oxygen collisions‌ను ప్రత్యక్షంగా కొలిచి, collaboration ఒక particle collider‌ను, గ్రహం పైన ప్రారంభమై ప్రతి క్షణం మన చుట్టూ గాలిలో ముగిసే phenomena‌ను అర్థం చేసుకునే సాధనంగా మార్చింది.

ఈ వ్యాసం Phys.org నివేదిక ఆధారంగా ఉంది. మూల వ్యాసాన్ని చదవండి.