Aproximadamente uma vez por ano, o menor experimento do Large Hadron Collider (LHC), LHC-forward (LHCf), é retirado de seu armazenamento dedicado no local próximo ao experimento ATLAS, reinstalado no túnel do LHC, e colocados em uso na investigação de raios cósmicos de alta energia.

Considerando que o ATLAS e os três outros experimentos principais do LHC - CMS, ALICE e LHCb - estudam todas as partículas produzidas em colisões, independentemente da direção em que voam, O LHCf mede os destroços lançados na direção 'muito para frente'.

Essas partículas dianteiras carregam uma grande quantidade de energia de colisão, e quase não mudam suas trajetórias em relação à direção do feixe de colisão inicial. Isso os torna ideais para compreender o desenvolvimento de chuvas de partículas produzidas quando os raios cósmicos de alta energia atingem a atmosfera.

"A ideia por trás do experimento LHCf é ajudar a aumentar nosso aprendizado sobre a natureza dos raios cósmicos de alta energia, medindo e interpretando as propriedades das partículas secundárias liberadas quando esses raios cósmicos colidem com a atmosfera da Terra, "explica Lorenzo Bonechi, que lidera uma equipe para a colaboração do LHCf em Florença, Itália.

Os dois detectores do experimento estão instalados a 140 metros de cada lado do ponto de colisão ATLAS. Eles não são adequados para serem usados ​​durante as operações normais do LHC, e por isso tem que esperar até que a máquina esteja funcionando com muito poucas colisões - correspondendo a uma baixa luminosidade. Se a luminosidade for muito alta, o maior número de forward, partículas de alta energia podem aquecer o detector e causar danos permanentes.

O LHCf foi reinstalado próximo ao detector ATLAS várias vezes. Este ano, o experimento instalou apenas um detector, que está coletando dados durante a corrida de íons pesados ​​deste mês, onde o LHC está colidindo prótons com íons de chumbo. A natureza assimétrica das colisões significa que um detector seria bombardeado com os restos dos núcleos principais e poderia ser danificado.

A quantidade de detritos que é lançada na direção para frente durante as colisões no LHC e a energia transportada por essas partículas podem ser comparadas com as previsões dos modelos de interação hadrônica - modelos físicos sofisticados que descrevem colisões entre prótons e núcleos e a lista de partículas produzidas nessas interações.

"Em execuções anteriores, encontramos discrepâncias significativas entre nossos dados e os modelos de interação hadrônica mais avançados, que são usados ​​para modelar como os raios cósmicos chovem sobre a Terra quando interagem com a nossa atmosfera. O LHCf está tentando encontrar evidências que possam ajudar a provar quais desses modelos fornecem a descrição mais confiável. Agora, cientistas que trabalham neste campo estão fazendo um esforço para integrar nossos resultados em seus modelos, e podemos ver uma revolução neles em um futuro próximo, "diz Bonechi.

A corrida com íons de chumbo e prótons começou em 10 de novembro de 2016 com colisões de baixa intensidade e baixa energia (5,02 TeV) especificamente para o detector ALICE fazer as medições. Mas agora ele aumentou para colidir os feixes a 8,16 TeV, e o LHCf já coletou vários milhões de partículas e continuará com a coleta de dados nos próximos dias.