I raggi cosmici sono particelle provenienti dallo spazio esterno, tipicamente protoni, viaggiando quasi alla velocità della luce. Quando la più energetica di queste particelle colpisce l'atmosfera del nostro pianeta, interagiscono con i nuclei atomici nell'atmosfera e producono cascate di particelle secondarie che si riversano sulla superficie terrestre. Queste ampie docce d'aria, come sono conosciuti, sono simili alle cascate di particelle che si creano nelle collisioni all'interno di collisori di particelle come il Large Hadron Collider (LHC) del CERN. Nel prossimo LHC, correre a partire dal 2021, il più piccolo degli esperimenti LHC, l'esperimento LHCf, è impostato per sondare la prima interazione che innesca queste piogge cosmiche.

Le osservazioni di vaste piogge d'aria sono generalmente interpretate utilizzando simulazioni al computer che implicano un modello di come i raggi cosmici interagiscono con i nuclei atomici nell'atmosfera. Ma esistono diversi modelli e non è chiaro quale sia il più appropriato. L'esperimento LHCf è in una posizione ideale per testare questi modelli e aiutare a far luce sulle interazioni dei raggi cosmici.

A differenza dei principali esperimenti di LHC, che misurano le particelle emesse ad ampi angoli dalla linea di collisione, l'esperimento LHCf misura le particelle che volano nella direzione "avanti", questo è, a piccoli angoli dalla linea di collisione. Queste particelle, che trasportano gran parte dell'energia di collisione, può essere utilizzato per sondare i piccoli angoli e le alte energie a cui le previsioni dei diversi modelli non corrispondono.

Utilizzando i dati delle collisioni protone-protone LHC a un'energia di 13 TeV, LHCf ha recentemente misurato come il numero di fotoni e neutroni diretti varia con l'energia delle particelle ad alte energie precedentemente inesplorate. Queste misurazioni concordano meglio con alcuni modelli rispetto ad altri, e vengono presi in considerazione dai modellisti di ampie docce d'aria.

Nella prossima corsa di LHC, LHCf dovrebbe estendere la gamma di energie delle particelle sondate, a causa della maggiore energia di collisione pianificata. Inoltre, e grazie al continuo lavoro di aggiornamento, l'esperimento dovrebbe anche aumentare il numero e il tipo di particelle che vengono rilevate e studiate.

Cosa c'è di più, l'esperimento prevede di misurare le particelle in avanti emesse da collisioni di protoni con ioni leggeri, molto probabilmente ioni di ossigeno. Le prime interazioni che innescano estese piogge d'aria nell'atmosfera coinvolgono principalmente nuclei atomici leggeri come ossigeno e azoto. LHCf potrebbe quindi sondare tale interazione nella prossima corsa, gettare nuova luce sui modelli di interazione dei raggi cosmici ad alte energie.