在地球表面上方数十公里处，外太空高能粒子不断撞击大气层，产生大量高能次级粒子如雨点般落下，每秒约有一个这样的粒子穿过人的头部，但产生这些粒子的“宇宙射线”至今未被完全理解。近日发表的一篇论文中，ATLAS合作组阐述了在大型强子对撞机(LHC)上首次测量质子 - 氧碰撞对深入了解此类碰撞的帮助。
事件显示图展示了 ATLAS 实验在 2025 年 7 月质子-氧碰撞期间记录的 19 条带电粒子径迹(黄线)。(图片：ATLAS)
宇宙射线是一个多世纪前物理学家维克托·赫斯利用热气球实验发现的。如今，天体物理学家借助地面探测器对宇宙射线簇射成像，并利用计算机模拟理解数据。然而，这些模拟依赖强力特性，而强力难以精确建模，目前模拟结果相互矛盾，让天体物理学家难以解读对宇宙射线的测量结果。
为改进模拟，2025年7月，大型强子对撞机(LHC)首次进行了质子与氧离子的碰撞实验。物理学家借此能更详细地研究“重现”的宇宙射线碰撞，质子束模拟宇宙射线，氧离子束模拟主要由氮气和氧气组成的地球大气层。
新论文描述了ATLAS物理学家通过测量带电粒子在实验中留下的轨迹来分析这些碰撞。他们测量了碰撞的关键特性，如粒子产生频率、数量，以及飞出时的能量和角度。随后，将测得的带电粒子分布与用于解释宇宙射线天文台数据的各种模拟预测值进行比较，这些模拟旨在重现先前质子与较重原子核碰撞的数据，但彼此存在差异。
ATLAS的最新测量结果达到几个百分点的精度，显著提升了对质子 - 氧碰撞的认识。理论学家可利用这些数据改进模型，进一步揭示来自宇宙的神秘高能粒子的奥秘。
