Environ une fois par an, la plus petite expérience Large Hadron Collider (LHC), LHC avant (LHCf), est sorti de son stockage dédié sur le site à proximité de l'expérience ATLAS, réinstallé dans le tunnel du LHC, et mis à profit pour étudier les rayons cosmiques de haute énergie.

Alors qu'ATLAS et les trois autres principales expériences du LHC - CMS, ALICE et LHCb – étudient toutes les particules produites lors de collisions, quelle que soit la direction dans laquelle elles volent, LHCf mesure les débris projetés dans la direction "très en avant".

Ces particules vers l'avant transportent une grande quantité de l'énergie de collision, et changent à peine leurs trajectoires par rapport à la direction du faisceau de collision initial. Cela les rend idéales pour comprendre le développement des gerbes de particules produites lorsque des rayons cosmiques de haute énergie frappent l'atmosphère.

"L'idée derrière l'expérience LHCf est d'aider à accroître notre apprentissage sur la nature des rayons cosmiques de haute énergie, en mesurant et en interprétant les propriétés des particules secondaires libérées lors de la collision de ces rayons cosmiques avec l'atmosphère terrestre, " explique Lorenzo Bonechi, qui dirige une équipe pour la collaboration LHCf à Florence, Italie.

Les deux détecteurs de l'expérience sont installés à 140 mètres de chaque côté du point de collision d'ATLAS. Ils ne sont pas adaptés pour être utilisés pendant les opérations normales du LHC, et donc devoir attendre que la machine tourne avec très peu de collisions –correspondant à une faible luminosité . Si la luminosité est trop élevée, le plus grand nombre d'avances, les particules à haute énergie peuvent chauffer le détecteur et causer des dommages permanents.

LHCf a été réinstallé à plusieurs reprises près du détecteur ATLAS. Cette année, l'expérience n'a installé qu'un seul détecteur, qui prend des données pendant la course aux ions lourds de ce mois-ci, où le LHC entre en collision des protons avec des ions plomb. La nature asymétrique des collisions signifie qu'un détecteur serait bombardé avec les restes des noyaux de plomb et pourrait être endommagé.

La quantité de débris projetés vers l'avant lors des collisions dans le LHC et l'énergie transportée par ces particules peuvent être comparées aux prédictions des modèles d'interaction hadronique - des modèles physiques sophistiqués qui décrivent les collisions entre les protons et les noyaux et la liste des particules produites. dans ces interactions.

"Au cours des exécutions précédentes, nous avons trouvé des écarts importants entre nos données et les modèles d'interaction hadronique les plus avancés, qui sont utilisés pour modéliser la façon dont les rayons cosmiques tombent sur la terre lorsqu'ils interagissent avec notre atmosphère. LHCf essaie de trouver des preuves qui pourraient aider à prouver lequel de ces modèles fournit la description la plus fiable. Maintenant, les scientifiques travaillant dans ce domaine s'efforcent d'intégrer nos résultats dans leurs modèles, et nous pourrions voir une révolution en eux dans un proche avenir, " dit Bonechi.

L'exploitation avec des ions plomb et des protons a commencé le 10 novembre 2016 avec des collisions de faible intensité et de faible énergie (5,02 TeV) spécifiquement pour que le détecteur ALICE prenne des mesures. Mais maintenant, il est passé à la collision des faisceaux à 8,16 TeV, et LHCf a déjà collecté plusieurs millions de particules et poursuivra sa collecte de données dans les prochains jours.