U CERN‑u Rekreiran Početak Kosmičkih Tuševa: Prvi Laboratorijski Sudari Kiseonika i Protonа

Svake sekunde kroz vaše telo prođu naizgled nevidljive čestice — ostatak žestoke „oluje“ koja nastaje daleko iznad nas kada kosmički zraci udare u atome Zemljine atmosfere. Iako se o tim kosmičkim tuševima zna više od jednog veka, detalji kako se ta oluja tačno rađa i dalje su nejasni. Umesto da čekaju da nebo pokaže sve odgovore, naučnici su doneli nebo u laboratoriju.

Sa timom čestične fizike, proučavam ranu fazu ovih kosmičkih tuševa. Iskoristili smo prve laboratorijske sudare atoma kiseonika sa protonima — eksperiment izveden u Velikom hadronskom sudaraču (LHC) u CERN‑u — da ponovo stvorimo prve trenutke kada kosmički zrak udara u atmosferu. Rezultati su objavljeni u časopisu Physical Review Letters.

The Crab Nebula is the remnant of an exploding star where cosmic rays may originate.NASA, ESA, CSA, STScI, T. Temim (Princeton University),CC BY

Kako je eksperiment simulirao kosmički tuš

1. jula 2025. godine CERN je po prvi put ubrzao snopove kiseonika i sudario ih sa protonima. U tom podešavanju protoni su igrali ulogu kosmičkih zraka, a snop kiseonika simulirao je atomsku masu atmosfere. Energija iz sudara pretvorila se u rasprskavanje novih čestica — upravo ono što se događa kad pravi kosmički zrak pogodi atom u vazduhu.

Zašto je ovo važno

Do sada naučnici modeliraju atmosferske čestične tuševe na računaru, ali različiti modeli daju različite prognoze. Direktni podaci iz laboratorije omogućavaju proveru tih modela u uslovima veoma sličnim stvarnim sudarima u atmosferi. Ta verifikacija će pomoći da se preciznije odrede svojstva primarnih kosmičkih zraka — naročito udeo vodonika u odnosu na teža jezgra — što je ključ za razumevanje njihovog porekla.

The Large Hadron Collider introduced oxygen beams for the first time in 2025, accelerated to nearly the speed of light.Maximilien Brice/CERN,CC BY

Merenja i instrumenti

Eksperiment je koristio detektore ATLAS‑a — ogromnog „kamere“ veličine fudbalskog terena koju održava i koristi na hiljade istraživača. Brzi sistem snimanja u ATLAS‑u može napraviti preko 200 miliona snimaka dnevno, a kombinacija silikonskih senzora i drugih detekcionih elemenata omogućila je merenja svojstava čestica sa preciznošću većom od 10 puta u odnosu na neke postojeće računarske modele.

Victor Hess je početkom 20. veka otkrio da radijacija raste kako se penjao balonom — dokaz da zraci dolaze iz svemira. Danas koristimo sopstvene velike ubrzivače da bismo razumeli posledice tog otkrića.

Analizom snimaka i raspodela energije, timovi su izmerili broj i tip čestica koje nastaju u sudarima protonsko‑kiseoničnih jezgara. Te nove, precizne vrednosti pomoći će astronomskoj zajednici da manje zavisi od modela i da bolje interpretira merenja iz velikih površinskih i vazdušnih teleskopa koji detektuju kosmičke tuševe.

Image captured by the ATLAS experiment of a collision between a proton and oxygen nucleus that recreates a cosmic rainstorm of particles in the lab shown as the yellow lines.CERN/ATLAS Collaboration,CC BY

Širi značaj

Razumevanje sastava kosmičkih zraka (koliki je udio vodonika naspram težih jezgara) daje tragove o mestima nastanka tih čestica — od ostataka eksplodiranih zvezda do ekstremnih okolina oko supermasivnih crnih rupa. Pored toga, tehnike zasnovane na detekciji kosmičkih čestica već su našle primenu u arheologiji i geologiji (npr. otkrivanje skrivenih komora i vulkanskih struktura).

Ovaj projekat takođe obnavlja mostove između čestične fizike i visokoenergetske astrofizike: laboratorijska i astronomska merenja sada mogu da se međusobno kalibrišu, ubrzavajući napredak u oba polja.

Autorska napomena: Tekst je pisan na osnovu rezultata istraživanja u kojima je učestvovao Jesse Liu (New York University) i saradnika. Studija je verifikovana unutar ATLAS kolaboracije i objavljena u Physical Review Letters. Autor ne navodi sukob interesa.