Circa una volta all'anno, il più piccolo esperimento Large Hadron Collider (LHC), LHC in avanti (LHCf), viene prelevato dal suo deposito dedicato nel sito vicino all'esperimento ATLAS, reinstallato nel tunnel LHC, e mettere in pratica investigando i raggi cosmici ad alta energia.

Considerando che ATLAS e gli altri tre principali esperimenti di LHC - CMS, ALICE e LHCb:studiano tutte le particelle prodotte nelle collisioni, indipendentemente dalla direzione in cui volano fuori, LHCf misura i detriti lanciati nella direzione "molto avanti".

Queste particelle in avanti trasportano una grande quantità di energia di collisione, e cambiano a malapena le loro traiettorie dalla direzione del raggio iniziale in collisione. Questo li rende ideali per comprendere lo sviluppo di piogge di particelle prodotte quando i raggi cosmici ad alta energia colpiscono l'atmosfera.

"L'idea alla base dell'esperimento LHCf è di aiutare ad aumentare la nostra conoscenza della natura dei raggi cosmici ad alta energia, misurando e interpretando le proprietà delle particelle secondarie rilasciate quando questi raggi cosmici si scontrano con l'atmosfera terrestre, " spiega Lorenzo Bonechi, che guida un team per la collaborazione LHCf a Firenze, Italia.

I due rivelatori dell'esperimento sono installati a 140 metri su entrambi i lati del punto di collisione ATLAS. Non sono adatti per essere utilizzati durante le normali operazioni di LHC, e quindi bisogna aspettare che la macchina funzioni con pochissime collisioni, che corrispondono a una bassa luminosità. Se la luminosità è troppo alta, il maggior numero di avanti, le particelle ad alta energia possono surriscaldare il rilevatore e causare danni permanenti.

LHCf è stato reinstallato più volte vicino al rivelatore ATLAS. Quest'anno, l'esperimento ha installato un solo rivelatore, che sta prendendo i dati durante la corsa agli ioni pesanti di questo mese, dove LHC sta collidendo protoni con ioni di piombo. La natura asimmetrica delle collisioni significa che un rivelatore sarebbe bombardato con i resti dei nuclei di piombo e potrebbe essere danneggiato.

La quantità di detriti che viene lanciata in avanti durante le collisioni nell'LHC e l'energia trasportata da queste particelle possono essere confrontate con le previsioni dei modelli di interazione adronica - modelli fisici sofisticati che descrivono le collisioni tra protoni e nuclei e l'elenco delle particelle prodotte in queste interazioni.

"Nel corso delle precedenti esecuzioni abbiamo riscontrato discrepanze significative tra i nostri dati e i modelli di interazione adronica più avanzati, che vengono utilizzati per modellare il modo in cui i raggi cosmici si riversano sulla terra quando interagiscono con la nostra atmosfera. LHCf sta cercando di trovare prove che potrebbero aiutare a dimostrare quale di questi modelli fornisce la descrizione più affidabile. Ora, gli scienziati che lavorano in questo campo si stanno impegnando per integrare i nostri risultati nei loro modelli, e potremmo vedere una rivoluzione in loro nel prossimo futuro, "dice Bonechi.

La corsa con ioni piombo e protoni è iniziata il 10 novembre 2016 con collisioni a bassa intensità e bassa energia (5,02 TeV) appositamente per consentire al rivelatore ALICE di effettuare misurazioni. Ma ora è aumentata fino a far collidere i fasci a 8,16 TeV, e LHCf ha già raccolto diversi milioni di particelle e continuerà a raccogliere dati nei prossimi giorni.