Een internationaal team van natuurkundigen heeft een baanbrekende benadering ontwikkeld voor het gebruik van ultrahoge energetische kosmische stralen (UHECR's) - de deeltjes met de hoogste energie in de natuur sinds de oerknal - om deeltjesinteracties te bestuderen die ver buiten het bereik van door mensen gemaakte versnellers liggen. Het werk, beschreven in het journaal Fysieke beoordelingsbrieven , maakt gebruik van UHECR-metingen door het Pierre Auger Observatorium (PAO) in Argentinië, die al ongeveer tien jaar UHECR-gegevens registreert.

De studie kan ook wijzen op de opkomst van een aantal nieuwe, nog niet begrepen natuurkundig fenomeen met een orde van grootte hogere energie dan kan worden bereikt met de Large Hadron Collider (LHC), waar het Higgs-deeltje werd ontdekt.

De oorsprong van UHECR's blijft een mysterie, ondanks tientallen jaren werk gericht op het ontdekken van hun bronnen. Maar zelfs voordat de bronnen van de UHECR's zijn geïdentificeerd, de deeltjesdouches die ze in de atmosfeer van de aarde creëren, kunnen worden gebruikt voor het verkennen van fundamentele fysica.

De kosmische stralen zijn atoomkernen. Als ze botsen met luchtdeeltjes, honderden extra deeltjes worden gecreëerd, die vervolgens verder interageren om een ​​cascade van deeltjes in de atmosfeer te produceren. PAO-telescopen meten hoe de bui zich ontwikkelt terwijl deze door de atmosfeer reist, en de PAO-oppervlaktedetectoren meten het deeltjesgehalte van de douche op de grond. De moeilijkheid om UHECR-luchtdouches te gebruiken om deeltjesfysica te bestuderen, tot nu toe, kwam voort uit de onzekerheid in de energie van een individuele straal en niet precies wetende welke kern het is.

New York University natuurkunde professor Glennys Farrar en Jeff Allen, haar afgestudeerde student en postdoctoraal onderzoeker op het moment van de studie, omzeild door de atmosfeer te gebruiken die vergelijkbaar is met de manier waarop een deeltjesdetector wordt gebruikt in laboratoriumexperimenten. Voor de Fysieke beoordelingsbrieven studie, ze vergeleken de PAO-gegevens voor 441 UHECR-douches, met computergesimuleerde douches op basis van deeltjesfysica-modellen die zijn afgeleid van experimenten met versneller-energieën.

"State-of-the-art deeltjesfysica-modellen onderschatten ernstig een belangrijk onderdeel van deze UHECR-douches, " legt Farrar uit. "Dit kan wijzen op de opkomst van onverwachte fysieke processen met een hogere energie dan de LHC. Toekomstige studies, en geplande upgrades van de PAO, moet onthullen wat het extra signaal produceert, het verstrekken van een venster op deeltjesfysica ver buiten het bereik van versnellers."