ZNANSTVENICI u CERN-u uspjeli su u Velikom hadronskom sudaraču (LHC) oponašati ono što se svakodnevno događa desecima kilometara iznad naših glava - sudar iznimno energične čestice iz svemira s atomima u Zemljinoj atmosferi.

Rezultati su pokazali i problem koji je znanstvenicima godinama otežavao proučavanje najenergičnijih čestica iz svemira: nijedan od vodećih računalnih modela nije uspio dobro opisati sve što se u tim sudarima stvarno dogodilo.

Studija međunarodne kolaboracije ATLAS objavljena je 14. rujna u znanstvenom časopisu Physical Review Letters. Znanstvenici su analizirali čak 246 milijuna sudara i više od 5.1 milijarde tragova nabijenih čestica. 

Što su uopće kozmičke zrake?

Naziv može biti pomalo zbunjujući. Kozmičke zrake uglavnom nisu "zrake" poput svjetlosti, nego vrlo brze čestice koje dolaze iz svemira. Veliku većinu čine protoni, odnosno jezgre atoma vodika, a dio su jezgre helija i težih elemenata. 

Neke od njih nose nevjerojatno velike količine energije. Kada takva čestica udari u jezgru atoma kisika ili dušika visoko u atmosferi, nastaje niz novih čestica. One zatim udaraju u druge atomske jezgre i stvaraju još čestica.

Tako nastaje golema kaskada, odnosno "pljusak" sekundarnih čestica koji se širi kroz atmosferu prema Zemljinoj površini. Prema CERN-u, kroz naše tijelo otprilike svake sekunde prođe jedna nabijena čestica nastala u takvom kozmičkom pljusku. 

Problem je što znanstvenici često ne vide početak priče

Kod najenergičnijih kozmičkih zraka postoji velik problem. Toliko su rijetke da ih je vrlo teško izravno uhvatiti satelitima ili instrumentima u svemiru.

Umjesto toga, veliki opservatoriji na Zemlji promatraju čestice koje nastanu nakon udara kozmičke zrake u atmosferu. Zatim pomoću računalnih simulacija pokušavaju rekonstruirati kakva je bila izvorna čestica, koliko je energije imala i odakle je možda stigla.

Drugim riječima, znanstvenici vide posljedice sudara i iz njih pokušavaju rekonstruirati što se dogodilo na samom početku.

To znači da rezultat uvelike ovisi o tome koliko su dobre simulacije samog sudara. A različiti modeli već su davali različite odgovore. CERN navodi da se neki od modela koji se koriste za analizu kozmičkih zraka međusobno razlikuju za desetke posto. 

Zato su sudar jednostavno napravili sami

U srpnju prošle godine LHC je nekoliko dana radio na neuobičajen način. Prvi put u svojoj povijesti sudarao je snop protona sa snopom jezgri kisika.

Ideja je bila jednostavna: proton je glumio kozmičku česticu koja dolazi iz svemira, a kisik atomsku jezgru u Zemljinoj atmosferi. Budući da se atmosfera uglavnom sastoji od dušika i kisika, takav je eksperiment mnogo sličniji stvarnom kozmičkom sudaru od uobičajenih sudara protona s protonima u LHC-u. 

Energija sudara iznosila je 9.62 teraelektronvolta po paru nukleona. Ta brojka sama po sebi široj publici ne znači mnogo, no važnija je usporedba: u uvjetima Zemljine atmosfere to odgovara protonu kozmičke zrake s energijom od oko 49 petaelektronvolta, odnosno 49 milijuna milijardi elektronvolta. 

Time je CERN u kontroliranom laboratorijskom okruženju uspio proučavati vrstu sudara koja se u prirodi događa visoko iznad Zemlje.

Simulacije nisu pogodile sve što se dogodilo

ATLAS je mjerio koliko je nabijenih čestica nastajalo u pojedinom sudaru, u kojim su se smjerovima kretale i koliko su energije nosile poprečno u odnosu na smjer sudara.

Rezultati su zatim uspoređeni s nekoliko najčešće korištenih računalnih modela. Nijedan nije uspio dobro opisati sve izmjerene karakteristike.

Posebno velike razlike pojavile su se u predviđanju broja čestica koje nastaju u sudaru. U nekim ekstremnim slučajevima modeli su od stvarnih mjerenja odstupali i do deset puta. Kod drugih mjerenja razlike su bile manje, a pojedini modeli dobro su opisivali određene dijelove procesa, ali ne i cijeli sudar. 

To ne znači da su dosadašnji modeli beskorisni. Novi podaci daju fizičarima mogućnost da ih poprave i preciznije prilagode stvarnim mjerenjima.

Zašto je to važno?

Što su simulacije preciznije, to će astronomi iz čestica koje detektiraju na Zemlji moći pouzdanije zaključiti što ih je proizvelo.

Moći će, primjerice, bolje procjenjivati je li izvorna kozmička zraka bila proton ili jezgra nekog težeg elementa te koliko je energije imala prije nego što je pogodila atmosferu.

To bi trebalo pomoći i u jednom od najvećih otvorenih pitanja fizike kozmičkih zraka - odakle dolaze najenergičnije čestice u svemiru i gdje završava populacija čestica nastalih unutar Mliječne staze, a počinje ona koja nam stiže iz drugih galaksija. 

LHC ne može oponašati sve kozmičke sudare, posebno one s najekstremnijim energijama. No novi rezultat pokazuje da se najveći akcelerator čestica na svijetu može koristiti i kao svojevrsni laboratorij za događaje koji se prirodno odvijaju desecima kilometara iznad Zemlje.