Kozmik ışınlar, dünyanın atmosferine çarpan, gezegenin yüzeyine ulaşabilen muonlar gibi ikincil parçacıkların duşları üreten dış uzaydan yüksek enerjili parçacıklardır. Son yıllarda, yer tabanlı deneyler, muon bulmaca olarak bilinen bir tutarsızlık olan mevcut teorik modellerin öngördüğünden daha fazla kozmik muon tespit etmiştir.
Yeraltı deneyleri kozmik muonların tespiti için iyi koşullar sunar, çünkü deneylerin üzerindeki kaya veya toprak diğer duş bileşenlerini emer. Bu nedenle muon bulmacasını çözmeye yardımcı olabilirler. Bir örnek Alice, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC).
Ağır iyon çarpışmalarının ürünlerini incelemek için tasarlanan Alice, 28 metre aşırı yük kaya ve ek 1 metre demir mıknatıs boyunbaşı ile korunan yeraltındaki 52 metrelik bir mağaradaki konumu sayesinde kozmik muonları tespit etmek için de çok uygundur.
Son zamanlarda yayınlanan bir makalede Kozmoloji ve Astroparçacık Fiziği DergisiAlice işbirliği, en az bir kozmik muon içeren yaklaşık 165 milyon olayın ve dörtten fazla kozmik muon ile 15.702 olayın tespitini bildiriyor.
Bu büyük numune 2015 ve 2018 arasında, LHC Run 2’deki duraklamalar sırasında, çarpıcıda hiçbir parçacık ışını dolaşımında toplandı. Toplam veri alma süresi 62.5 gün oldu-LHC Run 1’de (2010-2013) önceki kozmik ışını kampanyasının süresinin iki katından fazla (2010-2013).
Alice işbirliği, olay sayısının artan muon çokluk (olay başına muon sayısı) ile nasıl değiştiğini analiz ederek, olay sayısının çok küçük ve büyük istatistiksel belirsizliklere tabi olduğu pürüzsüz, azalan bir eğilim gözlemlemiştir (aşağıdaki şekle bakınız).
Alice araştırmacıları, bu azalan muon çokluk dağılımını, üç sekonder-partikül üretim modeline dayanan ve birincil kozmik ışınların iki aşırı bileşimini-hidrojen çekirdeğinin (protonlar) ve çok ağır bir bileşimi temsil eden demir çekirdeklerini varsayarak karşılaştırdı.
Bu karşılaştırmalar, ölçülen dağılımın 4 ila 60 PEV arasında değişen enerjileri olan birincil kozmik ışınlara karşılık geldiğini gösterdi, burada 1 PEV 10’dur.15 Elektronvolts. Bu enerji aralığında, birincil kozmik ışınların bileşiminin, protonlardan demre’ye kadar nükleer türlerin bir karışımı olması beklenir.
Üç modelden biri, gözlemlenen dağılımı yeniden üretir, ancak sadece birincil kozmik ışınların demirden oluştuğu varsayılarak. Aksine, diğer iki model, bir demir bileşimi varsayılırken bile olay sayımını yetersizdir.
Bu sonuçlar, ağır elementlerin birincil kozmik ışınların bileşimine hakim olduğunu düşündürürken, beklenen karışık kompozisyonu ve çokluk olarak ağır elementlerin artan fraksiyonunu ve dolayısıyla birincil kozmik ışın enerjisini artan bir şekilde açıklayamadıklarını düşündürür.
100’den fazla muons ile nadir olaylara odaklanan araştırmacılar, bu yüksek çok yönlülük olaylarının bir demir bileşimi varsayılırken iki model tarafından iyi tanımlandığını buldular. Bu bulgular, muhtemelen bu olayları üreten birincil kozmik ışınlar için ortalama 100 PEV enerji ile uyumludur.
Yeni Alice sonuçları, yer tabanlı veriler ve muon bulmacasını oluşturan modeller arasındaki tutarsızlığı doğrulamaktadır. Bu sonuçları LHC’den dahil ederek modellerin iyileştirilmesi, bulmacanın çözülmesine yardımcı olabilir.
