Каждую секунду через наши тела пронзают частицы, летящие почти со скоростью света. Они возникают в верхних слоях атмосферы, когда космические лучи сталкиваются с атомами и запускают дождь из частиц, который сыплется вниз.
Теперь ученые сделали шаг к тому, чтобы понять этот процесс в деталях: на Большом адронном коллайдере впервые воспроизвели подобное столкновение в лаборатории, используя пучки кислорода и протонов.
Каждую секунду через Землю и человеческое тело проходят частицы, летящие почти со скоростью света. Они появляются в результате космического «ливня», который начинается высоко в атмосфере, когда космические лучи — мощные частицы из межзвездного пространства — сталкиваются с атомами и разбивают их на целый каскад новых частиц.
Ученые изучают такие космические дожди уже больше ста лет, но до сих пор не до конца понимают, как именно они формируются. И для этого не обязательно всматриваться в небо: часть ответа можно получить в лаборатории, на Большом адронном коллайдере CERN в Швейцарии.
Именно там группа физиков впервые использовала столкновения атомов кислорода с протонами, чтобы воссоздать космический ливень в лабораторных условиях. Результаты этой работы опубликованы в Physical Review Letters.
История космических лучей началась в начале XX века, когда физик Виктор Гесс поднялся на воздушном шаре на несколько километров и заметил, что уровень радиации не падает, а, наоборот, растет. Он сделал вывод, что это излучение приходит из космоса, и в 1936 году получил за это Нобелевскую премию по физике.
Позже эксперименты показали, что в составе космического излучения есть новые виды материи, включая антиматерию. Среди них — мюоны, пионы и каоны. Эти частицы похожи на электроны, протоны и нейтроны, из которых состоят атомы, но существуют лишь краткий миг и их гораздо труднее заметить.
Сегодня космические лучи понимают как быстро движущиеся ядра — тяжелые центры атомов, в основном водорода. Но ключевые вопросы остаются без ответа: откуда они берутся и как набирают столь огромные энергии? Ученые считают, что подсказки ведут к экстремально горячим и удаленным областям Вселенной, к местам, где происходят взрывы звезд и действуют сверхмассивные черные дыры.
Космические лучи полезны не только для астрофизики. В 1950-х годах с их помощью научились проводить радиоуглеродное датирование древних артефактов, что изменило археологию. Позже такие частицы помогли геологам увидеть скрытые полости в активных вулканах, а археологам — обнаружить тайные камеры в египетских пирамидах. Принцип прост: измеряется, как породы отклоняют летящие через объект космические частицы.
Обычно космические ливни изучают с помощью сотен специализированных камер, расставленных на многие километры. Вместе они работают как один огромный телескоп. Один из крупнейших подобных проектов — Telescope Array в высокогорной пустыне Юты, который фиксирует самые энергичные частицы из космоса.
Но здесь есть сложность: чтобы расшифровать данные о космической материи, бомбардирующей Землю, ученым приходится моделировать атмосферный каскад на компьютерах. Проблема в том, что разные модели по-разному описывают рождение частичных ливней. Чтобы понять, какая из них ближе к реальности, нужны прямые данные.
Именно поэтому 1 июля 2025 года в CERN провели исторический эксперимент. На Большом адронном коллайдере впервые столкнули пучки атомов кислорода с протонами. В течение нескольких дней ученые буквально воспроизводили космический дождь из частиц в лаборатории.
В этом эксперименте пучок протонов играл роль космического луча, а пучок кислорода — роль атмосферы Земли. Энергия столкновения превращалась в поток частиц, воссоздавая самые первые мгновения космического ливня.
На коллайдере столкновения фиксируют несколько детекторов-«камер». Один из них — эксперимент ATLAS, над которым работает автор исследования. Это гигантская установка размером с футбольное поле, которую обслуживают тысячи ученых. Ее высокоскоростная камера способна делать более 200 миллионов снимков в день и использует набор кремниевых сенсоров, похожих на сенсоры в камере смартфона.
Изучив изображения вместе с небольшой группой физиков, исследователи измерили, сколько частиц возникало в столкновениях и с какими энергиями они разлетались. Оказалось, что свойства этих частиц удалось определить более чем в 10 раз точнее, чем предсказывали компьютерные модели.
Полученные данные помогут уточнить, какая доля высокоэнергетических космических лучей состоит из водорода, а какая — из более тяжелых атомов. А состав таких лучей может многое рассказать об их происхождении.
Авторы работы подчеркивают, что результаты стали важным мостом между физикой частиц и астрофизикой высоких энергий. Эти области давно тесно связаны общей историей и множеством пересечений, но по-прежнему остаются отдельными направлениями. Теперь у них появился новый повод для совместной работы — и, возможно, новый ключ к самым экстремальным событиям во Вселенной.
