这个问题很有趣，相比于LHC真空束流管中的环境而言，空气属于相当致密的存在了。下面我回答下LHC的7TeV质子的情况。
其实这个问题，做宇宙射线研究的同学应该更好回答。地球接收到的宇宙射线中，有90%都是质子。研究宇宙射线的小伙伴，绝大部分时间都是在和质子打交道。
和超高能宇宙射线的能量比起来，LHC质子束的能量还是很小的。多小呢？下面这个图可以比较好说明这一点 (注意：横纵坐标都是指数坐标)。你没有看错，宇宙射线中的超高能粒子，其能量可达LHC质子能量的一亿倍。
然而与LHC中的真空环境不同，当高能宇宙射线进入大气层时，其高能粒子会与空气产生作用，发生簇射，产生大量的次级粒子。通过对这些大气簇射，所产生的次级粒子的研究，可以间接得出宇宙射线的成分。
针对大气簇射的情况，宇宙射线研究者们已经通过不断的研究和观测，得出了高能宇宙射线在进入大气层后的各种现象。我曾经有幸了解到一款名为CORSIKA的大气簇射模拟程序，可以较为精确地模拟宇宙射线入射大气层后的真实情况。我并没有上手用过，感兴趣的小伙伴可以去尝试下。下图为CORSIKA模拟的10TeV质子在大气层中的簇射现象（来源：CORSIKA官网）：
那7TeV的质子在地表大气中（标准大气压），能穿透多远呢？这个问题要看怎么理解：
- 初级粒子(质子)本身走了多远？
- 其产生的次级粒子走了多远？
高能质子与空气中的原子发生相互作用，会损失大量的能量。感谢从事宇宙射线研究的小伙伴们的努力，得以让我们可以了解到，质子在TeV能量区间中，与空气的作用截面为几何。
有了这一类的，与反应截面相关的数据，我们就可以通过蒙特卡洛模拟，来推测出7TeV的质子，在空气中会是怎样的一种情况。
下图是当年我用Geant4做的两百多MeV质子束，射入水中的情况。谢天谢地，程序没被我删掉，版本也还能跑。
那就粗略模拟下7TeV质子在空气中的情况好了：
- 把水柱换成空气柱
- 空气柱尺寸设置为80公里，大致为地表到中间层的高度
- 空气的气压都为一个标准大气压
- 设置好低能到TeV区间的物理过程，这里就需要上面与反应截面有关的数据了。
运行一下，果不其然，TeV级别的质子，确实在空气中发生了簇射。模拟两百次后，得到初始粒子 (质子) 的深度，也就是发生非弹性碰撞后“停止运动”的位置，做出柱形图如下所示：
200次模拟中，7TeV的质子在几公里内就消耗掉了所有动能。下图为能量沉积在ZX平面的投影 (Z为质子初始时的运动方向)，可以看到，入射空气柱后的10公里内，沉积了大部分的能量：
由上面的模拟结果可知，贝吉塔的冲击波应该是质子束（大雾）：
由模拟结果可知：
- 7TeV的质子本身“穿透力”不足以穿透80公里空气柱，几公里内就消耗掉了所有能量。
- 绝大部分能量沉积，在质子入射空气后十公里的范围内。
- 由能量沉积显示，部分次级粒子可以“穿透”80公里的空气柱。
所以说：
- 大气层不愧为人类的护盾！
- 如果是想要用7TeV质子束做能量武器的话，在地表上其远程杀伤的效率应该是低得可怕，还是安心打意大利炮吧。。。
PS：用Geant4模拟的结果较为粗略，空气柱内填充的都是地表附近的空气状态，如果有从事宇宙射线研究的小伙伴，想必可以通过CORSIKA更为精确地给出TeV级别的质子束在大气层中的情况。
来源：知乎 www.zhihu.com
作者：赵东东
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