Kosmiska strålar är partiklar från yttre rymden, vanligtvis protoner, färdas med nästan ljusets hastighet. När de mest energiska av dessa partiklar träffar atmosfären på vår planet, de interagerar med atomkärnor i atmosfären och producerar kaskader av sekundära partiklar som duschar ner till jordens yta. Dessa omfattande luftduschar, som de är kända, liknar kaskader av partiklar som skapas vid kollisioner inuti partikelkollidatorer som CERNs Large Hadron Collider (LHC). I nästa LHC, körs med start 2021, det minsta av LHC -experimenten - LHCf -experimentet - kommer att undersöka den första interaktionen som utlöser dessa kosmiska duschar.

Observationer av omfattande luftduschar tolkas i allmänhet med hjälp av datasimuleringar som involverar en modell av hur kosmiska strålar interagerar med atomkärnor i atmosfären. Men det finns olika modeller och det är oklart vilken som är den mest lämpliga. LHCf-experimentet har en idealisk position för att testa dessa modeller och hjälpa till att belysa kosmisk strålningsinteraktioner.

I motsats till de viktigaste LHC -experimenten, som mäter partiklar som avges i stora vinklar från kollisionslinjen, LHCf -experimentet mäter partiklar som flyger ut i "framåt" riktning, det är, i små vinklar från kollisionslinjen. Dessa partiklar, som bär en stor del av kollisionsenergin, kan användas för att undersöka de små vinklar och höga energier som förutsägelserna från de olika modellerna inte matchar.

Använda data från proton -proton LHC -kollisioner med en energi på 13 TeV, LHCf har nyligen mätt hur antalet framåt fotoner och neutroner varierar med partikel energi vid tidigare outforskade höga energier. Dessa mätningar överensstämmer bättre med vissa modeller än andra, och de redovisas av modellerare av omfattande luftduschar.

I nästa LHC -körning, LHCf bör utöka intervallet för partikelenergier som sonderas, på grund av den planerade högre kollisionsenergin. Dessutom, och tack vare pågående uppgraderingsarbete, experimentet bör också öka antalet och typen av partiklar som detekteras och studeras.

Vad mer, experimentet planerar att mäta framåtpartiklar som avges från kollisioner av protoner med ljusjoner, troligen syrejoner. De första interaktionerna som utlöser omfattande luftduschar i atmosfären involverar huvudsakligen lätta atomkärnor som syre och kväve. LHCf kan därför undersöka en sådan interaktion i nästa körning, kastar nytt ljus på kosmiska strålmodeller med hög energi.