Un team internazionale di fisici ha sviluppato un approccio pionieristico all'utilizzo dei raggi cosmici a energia ultraelevata (UHECR), le particelle a più alta energia in natura dal Big Bang, per studiare le interazioni tra particelle ben oltre la portata degli acceleratori costruiti dall'uomo. Il lavoro, descritto nel giornale Lettere di revisione fisica , utilizza le misurazioni UHECR dell'Osservatorio Pierre Auger (PAO) in Argentina, che registra i dati UHECR da circa un decennio.

Lo studio potrebbe anche indicare l'emergere di alcuni nuovi, fenomeno fisico non ancora compreso a un'energia di ordine di grandezza superiore a quella a cui si può accedere con il Large Hadron Collider (LHC), dove è stata scoperta la particella di Higgs.

L'origine degli UHECR rimane un mistero, nonostante decenni di lavoro teso a scoprirne le fonti. Eppure, anche prima che le fonti degli UHECR siano identificate, le piogge di particelle che creano nell'atmosfera terrestre possono essere utilizzate per esplorare la fisica fondamentale.

I raggi cosmici sono nuclei atomici. Quando si scontrano con particelle d'aria, centinaia di particelle aggiuntive vengono create, che poi interagiscono ulteriormente per produrre una cascata di particelle nell'atmosfera. I telescopi PAO misurano come si sviluppa la doccia mentre viaggia attraverso l'atmosfera, e i rilevatori di superficie PAO misurano il contenuto di particelle della doccia sul terreno. La difficoltà di utilizzare le docce d'aria UHECR per studiare la fisica delle particelle, fino ad ora, derivava dall'incertezza nell'energia di un raggio individuale e dal non sapere esattamente quale fosse il nucleo.

Glennys Farrar e Jeff Allen, professore di fisica della New York University, suo studente laureato e ricercatore post-dottorato al momento dello studio, ha aggirato questo problema utilizzando l'atmosfera in modo simile al modo in cui un rivelatore di particelle viene impiegato negli esperimenti di laboratorio. Per il Lettere di revisione fisica studio, hanno confrontato i dati PAO per 441 docce UHECR, con docce simulate al computer basate su modelli di fisica delle particelle derivati ​​da esperimenti alle energie dell'acceleratore.

"I modelli di fisica delle particelle all'avanguardia sottovalutano seriamente un componente chiave di questi docce UHECR, " spiega Farrar. "Questo può indicare l'emergere di processi fisici imprevisti a energia più elevata rispetto a LHC. Studi futuri, e gli aggiornamenti pianificati al PAO, dovrebbe rivelare cosa produce il segnale extra, fornendo una finestra sulla fisica delle particelle ben oltre la portata degli acceleratori".