Kosmische stralen zijn deeltjes uit de ruimte, typisch protonen, reizen met bijna de snelheid van het licht. Wanneer de meest energetische van deze deeltjes de atmosfeer van onze planeet raken, ze interageren met atoomkernen in de atmosfeer en produceren cascades van secundaire deeltjes die naar het aardoppervlak stromen. Deze uitgebreide luchtdouches, zoals ze bekend zijn, zijn vergelijkbaar met de cascades van deeltjes die ontstaan ​​bij botsingen in deeltjesversnellers zoals de Large Hadron Collider (LHC) van CERN. In de volgende LHC, lopen vanaf 2021, de kleinste van de LHC-experimenten - het LHCf-experiment - is ingesteld om de eerste interactie te onderzoeken die deze kosmische buien veroorzaakt.

Waarnemingen van uitgebreide luchtbuien worden over het algemeen geïnterpreteerd met behulp van computersimulaties die een model omvatten van hoe kosmische straling interageert met atoomkernen in de atmosfeer. Maar er bestaan ​​verschillende modellen en het is onduidelijk welke het meest geschikt is. Het LHCf-experiment bevindt zich in een ideale positie om deze modellen te testen en licht te werpen op interacties met kosmische straling.

In tegenstelling tot de belangrijkste LHC-experimenten, die deeltjes meten die onder grote hoeken vanaf de botsingslijn worden uitgezonden, het LHCf-experiment meet deeltjes die uitvliegen in de "voorwaartse" richting, dat is, onder kleine hoeken vanaf de aanvaringslijn. Deze deeltjes, die een groot deel van de botsingsenergie dragen, kan worden gebruikt om de kleine hoeken en hoge energieën te onderzoeken waarbij de voorspellingen van de verschillende modellen niet overeenkomen.

Met behulp van gegevens van proton-proton LHC-botsingen bij een energie van 13 TeV, LHCf heeft onlangs gemeten hoe het aantal voorwaartse fotonen en neutronen varieert met deeltjesenergie bij voorheen onontgonnen hoge energieën. Deze metingen komen bij sommige modellen beter overeen dan bij andere, en ze worden in rekening gebracht door modelbouwers van uitgebreide luchtdouches.

In de volgende LHC-run, LHCf zou het bereik van de onderzochte deeltjesenergieën moeten vergroten, vanwege de geplande hogere botsingsenergie. In aanvulling, en dankzij de voortdurende upgradewerkzaamheden, het experiment moet ook het aantal en het type deeltjes dat wordt gedetecteerd en bestudeerd, vergroten.

Bovendien, het experiment is van plan om voorwaartse deeltjes te meten die worden uitgezonden door botsingen van protonen met lichtionen, hoogstwaarschijnlijk zuurstofionen. De eerste interacties die uitgebreide luchtbuien in de atmosfeer veroorzaken, betreffen voornamelijk lichte atoomkernen zoals zuurstof en stikstof. LHCf zou daarom een ​​dergelijke interactie in de volgende run kunnen onderzoeken, nieuw licht werpen op kosmische-straalinteractiemodellen bij hoge energieën.