Los rayos cósmicos son partículas del espacio exterior, típicamente protones, viajando casi a la velocidad de la luz. Cuando la más energética de estas partículas golpea la atmósfera de nuestro planeta, interactúan con los núcleos atómicos de la atmósfera y producen cascadas de partículas secundarias que caen a la superficie de la Tierra. Estas extensas duchas de aire, como se les conoce, son similares a las cascadas de partículas que se crean en colisiones dentro de colisionadores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN. En el próximo LHC, ejecutar a partir de 2021, el más pequeño de los experimentos del LHC, el experimento LHCf, está listo para sondear la primera interacción que desencadena estas lluvias cósmicas.

Las observaciones de lluvias de aire extensas generalmente se interpretan usando simulaciones por computadora que involucran un modelo de cómo los rayos cósmicos interactúan con los núcleos atómicos en la atmósfera. Pero existen diferentes modelos y no está claro cuál es el más apropiado. El experimento LHCf está en una posición ideal para probar estos modelos y ayudar a arrojar luz sobre las interacciones de los rayos cósmicos.

A diferencia de los principales experimentos del LHC, que miden partículas emitidas en ángulos grandes desde la línea de colisión, el experimento LHCf mide las partículas que vuelan en la dirección "hacia adelante", es decir, en pequeños ángulos desde la línea de colisión. Estas partículas, que transportan una gran parte de la energía de colisión, se puede utilizar para sondear los ángulos pequeños y las altas energías en las que las predicciones de los diferentes modelos no coinciden.

Utilizando datos de colisiones protón-protón del LHC a una energía de 13 TeV, El LHCf ha medido recientemente cómo varía el número de fotones y neutrones directos con la energía de las partículas a altas energías previamente inexploradas. Estas medidas concuerdan mejor con algunos modelos que con otros, y están siendo incorporados por modeladores de amplias duchas de aire.

En la próxima ejecución del LHC, El LHCf debería ampliar el rango de energías de las partículas analizadas, debido a la mayor energía de colisión prevista. Además, y gracias al trabajo de actualización en curso, el experimento también debería incrementar el número y tipo de partículas que se detectan y estudian.

Y lo que es más, el experimento planea medir las partículas directas emitidas por las colisiones de protones con iones ligeros, lo más probable es que los iones de oxígeno. Las primeras interacciones que desencadenan extensas lluvias de aire en la atmósfera involucran principalmente núcleos atómicos ligeros como el oxígeno y el nitrógeno. Por lo tanto, LHCf podría probar dicha interacción en la próxima ejecución, arrojando nueva luz sobre los modelos de interacción de rayos cósmicos a altas energías.