Jede Sekunde bombardieren Millionen kosmische Strahlen die Erdatmosphäre. Diese natürlicherweise auftretenden Teilchen aus dem Weltraum sind extrem schwer nachzuweisen und zu messen. Wenn sie mit Atomkernen in der oberen Atmosphäre kollidieren, produzieren die sogenannten primären kosmischen Strahlen einen Regen aus sekundären kosmischen Strahlen, der den Erdboden erreicht.
Das Large Hadron Collider forward Experiment (LHCf) ist eines der kleinsten LHC-Experimente und wurde entwickelt, um diese schwer nachweisbaren Teilchen zu untersuchen, seit der LHC in Betrieb genommen wurde. Diese Woche nahm es seine Beobachtungen der Eigenschaften von kosmischen Strahlen im Rahmen eines fünftägigen Datensammlungslaufs wieder auf, nachdem während des zweiten langen Shutdowns der Maschine Upgrades am Detektor installiert wurden.
„Als Page One zeigte, dass der LHC für den LHCf-Datensammlungslauf gefüllt wurde, waren wir sehr aufgeregt“, sagte Oscar Adriani, der stellvertretende Sprecher des LHCf-Experiments.
Dies ist der erste Datensammlungslauf bei der rekordbrechenden Kollisionsenergie von 13,6 Teraelektronenvolt. Er fiel auch mit der Rekordzeit zusammen, die der LHC eine Füllung aufrechterhalten konnte, ohne neugestartet zu werden: insgesamt 57 Stunden. Eine längere Zeit bedeutet effizientere Perioden zur Datensammlung für die Experimente.
Primäre kosmische Strahlen haben hohe Energien von mehr als 1017 Elektronenvolt – das ist ähnlich hoch wie die Hochenergiekollisionen am LHC. LHCf ist nur 20cm * 40cm *10cm groß und liegt 140 Meter vom ATLAS-Kollisionspunkt des LHC entfernt. Es analysiert neutrale Teilchen, die durch die Kollisionen beschleunigt wurden, und bildet die Erzeugung sekundärer kosmischer Strahlen in der Erdatmosphäre nach. Das Experiment kann neutrale Teilchen analysieren, weil sie nicht durch die starken Magnetfelder des LHC abgelenkt werden, und es ist imstande, ihre Eigenschaften mit extrem hoher Präzision zu messen.
Dieser fünftägige Betriebslauf wird wahrscheinlich der letzte LHCf-Lauf mit Proton-Proton-Kollisionen sein. Das Team hofft, bei der nächsten Datensammlungsperiode des dritten Laufs Proton-Sauerstoff-Kollisionen untersuchen zu können, die die Interaktion von primären kosmischen Strahlen mit der Erdatmosphäre besser nachbilden.
Mit der höheren Energie und aussagekräftigeren Statistiken, die der Lauf 3 liefert, sucht LHCf insbesondere nach Teilchen, die als neutrale Kaonen und neutrale Eta-Mesonen bezeichnet werden. Sie bestehen aus einem Quark und einem Antiquark, darunter einem Strange-Quark. „Die Modelle, die die Wechselwirkungen mit der Atmosphäre vorhersagen, sagen eine bestimmte Anzahl sekundärer Myonen voraus, aber es gibt eine Diskrepanz zwischen der erwarteten und der nachgewiesenen Anzahl der Myonen“, erklärte Adriani. „Durch die Messung der am LHC erzeugten Strange-Komponente könnten wir in der Lage sein, dieses Myonen-Rätsel zu lösen.“
Der LHC mit seiner hohen Energie und der kontrollierten Umgebung bietet den perfekten Ort, um die Wechselwirkungen von Hadronen mit kosmischen Strahlen zu simulieren und zu untersuchen. „Hochenergetische kosmische Strahlen sind immer noch ein Rätsel. Sie sind sehr schwer zu messen. Man braucht riesige Detektoren und man kann keine direkten Messungen vornehmen, während sie im Orbit sind, weil der Teilchenstrom zu gering ist“, sagte Adriani. „Daher ist LHCf tatsächlich das einzige Experiment weltweit, das etwas Licht auf diese Wechselwirkungen bei sehr, sehr hohen Energien werfen kann. Das ist ein entscheidender Aspekt für Physiker, die kosmische Strahlen erforschen.“
(THK)
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