Os raios cósmicos são partículas do espaço sideral, tipicamente prótons, viajando quase na velocidade da luz. Quando a mais energética dessas partículas atinge a atmosfera de nosso planeta, eles interagem com núcleos atômicos na atmosfera e produzem cascatas de partículas secundárias que chovem sobre a superfície da Terra. Esses extensos chuveiros de ar, como são conhecidos, são semelhantes às cascatas de partículas que são criadas em colisões dentro dos colisores de partículas, como o Large Hadron Collider (LHC) do CERN. No próximo LHC, executado a partir de 2021, o menor dos experimentos do LHC - o experimento do LHCf - é definido para sondar a primeira interação que desencadeia essas chuvas cósmicas.

As observações de grandes chuveiros de ar são geralmente interpretadas usando simulações de computador que envolvem um modelo de como os raios cósmicos interagem com os núcleos atômicos na atmosfera. Mas existem modelos diferentes e não está claro qual é o mais adequado. O experimento LHCf está em uma posição ideal para testar esses modelos e ajudar a lançar luz sobre as interações dos raios cósmicos.

Em contraste com os principais experimentos do LHC, que medem as partículas emitidas em grandes ângulos a partir da linha de colisão, o experimento LHCf mede partículas que voam na direção "para frente", isso é, em pequenos ângulos da linha de colisão. Essas partículas, que carregam uma grande parte da energia de colisão, pode ser usado para sondar os pequenos ângulos e altas energias nas quais as previsões dos diferentes modelos não coincidem.

Usando dados de colisões próton-próton LHC a uma energia de 13 TeV, O LHCf mediu recentemente como o número de fótons e nêutrons frontais varia com a energia das partículas em altas energias anteriormente inexploradas. Essas medidas concordam melhor com alguns modelos do que com outros, e eles estão sendo fatorados por modeladores de extensos chuveiros de ar.

Na próxima execução do LHC, LHCf deve estender a gama de energias de partículas sondadas, devido à maior energia de colisão planejada. Além disso, e graças ao trabalho de atualização contínuo, o experimento também deve aumentar o número e o tipo de partículas detectadas e estudadas.

O que mais, o experimento planeja medir partículas emitidas a partir de colisões de prótons com íons de luz, mais provavelmente íons de oxigênio. As primeiras interações que desencadeiam extensas chuvas de ar na atmosfera envolvem principalmente núcleos atômicos leves, como oxigênio e nitrogênio. O LHCf poderia, portanto, sondar tal interação na próxima execução, lançando uma nova luz sobre os modelos de interação de raios cósmicos em altas energias.