用加速器來研究宇宙射線

LHCb實驗利用高能質子與氦原子對撞，為宇宙射線模型提供了實驗數據以供比較。

 
LHC的宇宙中充斥著許多高能量的宇宙射線。一般來說，這些高能宇宙射線都是高能量的質子。當這些高能質子與分散在宇宙中的宇宙塵埃發生碰撞的時候，會產生許多能量較低的粒子。透過觀測這些粒子，物理學家可以得知許多關於宇宙射線與宇宙塵埃的性質。






宇宙塵埃基本上以質子與氦原子為主，因為這是最輕的兩種元素。因此要知道高能宇宙射線與宇宙塵埃對撞後的產物，就相當於研究高能質子與靜止質子與靜止氦原子對撞後的產物。







目前最重要的宇宙射線觀測實驗，PAMELA與AMS-02兩者對反質子的觀測結果將有可能對反物質的存在提供觀測上的證據。但是要知道這些反質子是否是由暗物質所產生，首先要能夠對高能宇宙射線與星際間的宇宙塵埃碰撞時所產生的反質子數量有著更精準的理解，這樣才能知道所觀測到的反質子是來自宇宙塵埃的碰撞還是由暗物質的互相湮滅所產生。
 

物理學家已經對質子對撞進行了相當多的研究，獲得了相當多的實驗數據。但是高能質子與氦原子對撞的實驗卻基本上是一片空白。氦原子由兩個氫原子與兩個中子所構成，雖然結構相當簡單，但是沒有實驗數據的話，物理學家便只能以類比的方式推估p-He的實驗產物。

位於LHC的LHCb實驗的最新實驗結果終於填補上了這個空白。他們利用新發展出的SMOG實驗方法，在LHCb的一般質子對預定的對撞區域中通入氦氣，使得在加速器中運行的高能質子可以跟對撞區域中的氦原子進行對撞。對撞之後的產物便可以利用LHCb偵測器來進行精準測量。
 

An example of a fully reconstructed proton-helium collision event in the LHCb detector. The particle identified as an antiproton is shown in pink. (Image: LHCb collaboration)
 
透過這個新的實驗方法，LHCb實驗對p-He對撞中反質子的產量進行了仔細的測量。測量結果也與目前宇宙射線最常使用的模型進行比對。實驗所測得的精準度約在10%左右，將對現有的宇宙射線模型有著重要的影響，需要再次調整參數以符合實驗觀測結果。

SMOG實驗不只可以在對撞區域中導入氦氣，事實上幾乎所有的惰性氣體都可以作為SMOG實驗的靶材。而SMOG實驗也可以在加速鉛原子核的情況下進行。如此一來將可以大幅提昇LHCb的研究課題，從高能質子對撞，一直延伸到高能核物理實驗與宇宙射線領域。

參考資料
CERN 2017/03/27: Cosmic collisions at the LHCb experiment
https://home.cern/about/updates/2017/03/cosmic-collisions-lhcb-experiment
CERN Courier 2017/04/13: LHCb brings cosmic collisions down to Earth
http://cerncourier.com/cws/article/cern/68420