Multimuon Events from Cosmic Rays with the ALICE Detector
Questo articolo analizza 62,5 giorni di dati sui raggi cosmici raccolti dall'esperimento ALICE tra il 2015 e il 2018 per studiare gli eventi multimuon, riscontrando che, sebbene gli attuali modelli di interazione adronica fatichino a descrivere appieno i dati, il modello QGSJET-II-04 è quello che riproduce meglio la distribuzione della molteplicità dei muoni e i tassi di eventi ad alta molteplicità assumendo una composizione primaria di ferro puro.
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Molto in alto sopra la Terra, una pioggia costante di particelle invisibili cade dai confini dell'universo. Questi sono i raggi cosmici, principalmente nuclei atomici che viaggiano a velocità vicine a quella della luce, che colpiscono l'atmosfera e si scontrano con le molecole d'aria. Quando colpiscono, si frantumano in una cascata di particelle secondarie, creando uno sciame che si diffonde attraverso il cielo. Tra questi frammenti ci sono i muoni, cugini instabili dell'elettrone che possono viaggiare in profondità sottoterra prima di decadere. Gli scienziati usano da tempo questi muoni come messaggeri per comprendere la natura dei raggi cosmici originali e la fisica violenta che avviene quando colpiscono l'atmosfera. Tuttavia, un mistero persistente è rimasto sospeso: i modelli standard utilizzati per prevedere come si sviluppino questi sciami spesso non riescono a spiegare i rari e massicci impulsi di muoni che arrivano insieme in grandi gruppi. Comprendere questi eventi è cruciale perché rivela se le nostre attuali teorie della fisica delle particelle siano complete o se manchi qualcosa di fondamentale nella nostra visione dell'universo.
Presso il Large Hadron Collider in Svizzera, l'esperimento ALICE è progettato principalmente per far scontrare ioni pesanti al fine di ricreare le condizioni dell'universo primordiale. Eppure, tra il 2015 e il 2018, mentre il collidore non era in funzione, il rilevatore è rimasto in attesa sottoterra, agendo come una gigantesca rete per i raggi cosmici. Seppellito a 52 metri sotto la superficie, l'esperimento è schermato da tonnellate di roccia che bloccano quasi tutte le altre particelle, permettendo solo ai muoni più energetici di raggiungere le sensibili camere di tracciamento all'interno. Durante questo periodo, il team ha raccolto dati per 62,5 giorni di osservazione reale. Si sono concentrati specificamente sugli "eventi multimuon", momenti rari in cui più di quattro muoni arrivano al rilevatore simultaneamente. Analizzando miglia di questi eventi, i ricercatori miravano a vedere se gli esistenti modelli informatici degli sciami di raggi cosmici potessero prevedere accuratamente quanto spesso appaiano questi grandi gruppi e quanti muoni contengano.
I ricercatori hanno prima esaminato la distribuzione del conteggio dei muoni, analizzando eventi compresi tra quattro e cinquanta muoni. Hanno confrontato le loro misurazioni del mondo reale con tre diverse simulazioni informatiche, ciascuna basata su una diversa teoria di come le particelle interagiscono nell'atmosfera. Per testare queste teorie, le simulazioni hanno ipotizzato due possibilità estreme per la composizione dei raggi cosmici in arrivo: o sono tutti protoni leggeri o sono tutti nuclei di ferro pesanti. I risultati hanno mostrato una netta divisione. I modelli basati su protoni leggeri hanno costantemente previsto molti meno gruppi di muoni di quanti il rilevatore abbia effettivamente osservato. Tuttavia, quando le simulazioni hanno ipotizzato che i raggi cosmici fossero composti da ferro pesante, un modello specifico, noto come QGSJET-II-04, ha corrisposto ai dati reali in modo sorprendente. Gli altri due modelli, anche ipotizzando il ferro pesante, prevedevano ancora troppi pochi muoni, fallendo nel riprodurre il pattern osservato. Ciò suggerisce che le teorie standard dell'interazione delle particelle faticano a descrivere questi sciami a meno che i raggi cosmici in arrivo non siano pesanti e il modello di interazione non sia specificamente tarato per gestirli.
Il team ha anche indagato sugli eventi più estremi, quelli contenenti più di cento muoni, che hanno definito eventi ad alta molteplicità di muoni. Nei loro 62,5 giorni di dati, hanno registrato tredici di tali eventi, con il singolo impulso più grande composto da 287 muoni. Questo si traduce in una frequenza di circa un evento così massiccio ogni 4,8 giorni. Quando hanno confrontato questa frequenza osservata con le loro simulazioni, i risultati hanno rafforzato la conclusione precedente. Il modello che ipotizzava una composizione di ferro pesante e utilizzava la teoria di interazione QGSJET-II-04 ha previsto una frequenza che si allineava strettamente alle misurazioni reali. Al contrario, il modello che ipotizzava protoni leggeri ha previsto una frequenza troppo bassa per corrispondere alla realtà. Anche gli altri due modelli di interazione sono rimasti al di sotto, con uno che prevedeva una frequenza così bassa da essere statisticamente incompatibile con i dati. L'energia stimata dei raggi cosmici che causano questi massicci impulsi è di circa 100 quadrilioni di elettronvolt, una quantità immensa di energia concentrata in una singola particella.
In definitiva, lo studio fornisce una forte indicazione che i raggi cosmici responsabili di questi rari impulsi di muoni ad alta molteplicità sono probabilmente composti da elementi pesanti come il ferro, piuttosto che da protoni leggeri. Sebbene i dati non provino definitivamente la composizione di tutti i raggi cosmici, suggeriscono fortemente che gli attuali modelli standard della fisica delle particelle richiedano una composizione pesante per descrivere correttamente il comportamento di questi sciami atmosferici. Il successo del modello QGSJET-II-04 nel corrispondere ai dati, mentre altri fallivano, evidenzia che la nostra comprensione di come le particelle ad alta energia interagiscano nell'atmosfera è ancora in evoluzione. Il rilevatore ALICE, situato in profondità sottoterra, è riuscito a catturare questi momenti fugaci dal cosmo, offrendo una visione chiara che sfida e perfeziona le nostre mappe teoriche del mondo subatomico.
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