Les rayons cosmiques sont des particules de l'espace extra-atmosphérique, typiquement des protons, voyageant presque à la vitesse de la lumière. Lorsque la plus énergétique de ces particules frappe l'atmosphère de notre planète, ils interagissent avec les noyaux atomiques dans l'atmosphère et produisent des cascades de particules secondaires qui se déversent jusqu'à la surface de la Terre. Ces vastes douches d'air, comme ils sont connus, sont similaires aux cascades de particules créées lors de collisions à l'intérieur de collisionneurs de particules tels que le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN. Dans le prochain LHC, courir à partir de 2021, la plus petite des expériences LHC, l'expérience LHCf, est destinée à sonder la première interaction qui déclenche ces gerbes cosmiques.

Les observations d'averses d'air étendues sont généralement interprétées à l'aide de simulations informatiques qui impliquent un modèle de la façon dont les rayons cosmiques interagissent avec les noyaux atomiques dans l'atmosphère. Mais différents modèles existent et on ne sait pas lequel est le plus approprié. L'expérience LHCf est idéalement placée pour tester ces modèles et contribuer à faire la lumière sur les interactions des rayons cosmiques.

Contrairement aux principales expériences du LHC, qui mesurent les particules émises à grands angles à partir de la ligne de collision, l'expérience LHCf mesure les particules qui s'envolent dans la direction "avant", C'est, à de petits angles de la ligne de collision. Ces particules, qui transportent une grande partie de l'énergie de collision, peut être utilisé pour sonder les petits angles et les hautes énergies auxquels les prédictions des différents modèles ne correspondent pas.

En utilisant les données des collisions proton-proton du LHC à une énergie de 13 TeV, LHCf a récemment mesuré comment le nombre de photons et de neutrons avant varie avec l'énergie des particules à des énergies élevées jusqu'alors inexplorées. Ces mesures concordent mieux avec certains modèles qu'avec d'autres, et ils sont pris en compte par les modélisateurs de vastes douches d'air.

Lors de la prochaine exploitation du LHC, LHCf devrait étendre la gamme des énergies des particules sondées, en raison de l'énergie de collision plus élevée prévue. En outre, et grâce aux travaux de mise à niveau en cours, l'expérience devrait également augmenter le nombre et le type de particules détectées et étudiées.

Quoi de plus, l'expérience prévoit de mesurer les particules vers l'avant émises par les collisions de protons avec des ions légers, probablement des ions oxygène. Les premières interactions qui déclenchent de vastes averses d'air dans l'atmosphère impliquent principalement des noyaux atomiques légers tels que l'oxygène et l'azote. LHCf pourrait donc sonder une telle interaction dans le prochain run, jeter un nouvel éclairage sur les modèles d'interaction des rayons cosmiques à haute énergie.