Lluvias cósmicas: cómo los protones dibujan el retrato de la atmósfera exprés
Los rayos cósmicos son partículas que nos llegan desde el espacio profundo. Cuando una de estas partículas choca contra la atmósfera, genera toda una lluvia de nuevas partículas, como una bola de billar que rompe el triángulo y las bolas salen disparadas en todas direcciones. Para predecir cómo será esa lluvia, hay que saber cómo interactúa la partícula primaria con los núcleos de los átomos del aire. El aire se compone principalmente de nitrógeno y oxígeno, así que los científicos decidieron medir colisiones de protones con núcleos de oxígeno.
En el Gran Colisionador de Hadrones del CERN se aceleró un haz de protones y se dirigió hacia un blanco de oxígeno. La energía de la colisión fue enorme: 9,62 teraelectronvoltios en el sistema del centro de masas, miles de veces mayor que la energía liberada en la fisión de un solo núcleo de uranio. El detector ATLAS registró 246 millones de eventos en los que nació al menos una partícula cargada con momento transverso superior a 500 megaelectronvoltios y ángulo de emisión dentro de 2,5 unidades de pseudorrapidez. Es como si hubieras lanzado una piedra a un estanque 246 millones de veces y cada vez midieras qué salpicaduras se producen.
Los resultados ayudarán a los astrofísicos a calcular con mayor precisión las lluvias cósmicas. Esto es importante para los observatorios que detectan rayos cósmicos de ultra alta energía, como el Observatorio Pierre Auger en Argentina. Cuanto mejor sepamos cómo interactúa una partícula con el aire, con mayor precisión podremos reconstruir su energía y dirección. Y esto, a su vez, nos acerca a desentrañar de dónde provienen las partículas más energéticas del universo.
Resumen original
tal como lo escribieron los autores, en inglés arXiv:2604.05512
This Letter presents a measurement of prompt charged-particle production in proton-oxygen interactions at $$\sqrt{s_\text{NN}}=9.62$$ TeV center-of-mass energy with the ATLAS detector, corresponding to 634 $$\mu$$b$$^{-1}$$ of integrated luminosity. A total of 246 million selected events have at least one track with transverse momentum $$p_\text{T}> 500$$ MeV and pseudorapidity $$|\eta|<2.5$$. The measured fiducial proton-oxygen cross section is $$\sigma_\text{fid.}^{p\text{O}}=396 \pm 6~(\text{exp.}) \pm 9~(\text{lumi.})~\text{mb}$$ and the extrapolated inelastic proton-air cross section is $$\sigma^{p+\text{air}}_\text{inel.} = 406 \pm 6~(\text{exp.}) \pm 9~(\text{lumi.}) \pm 28~(\text{th.})~\text{mb}$$. Measurements of charged-particle multiplicity, $$p_\text{T}$$, and $$\eta$$ distributions are an order-of-magnitude more precise than differences between hadronic-interaction models. These results enable improved modeling of cosmic-ray air showers, which is important for astroparticle physics.
Una sola colisión de un protón con un núcleo de oxígeno puede generar cientos de partículas nuevas, como un castillo de fuegos artificiales que surge de una sola chispa.