Учёные впервые смогли в лабораторных условиях воспроизвести ключевой процесс, ответственный за образование высокоэнергетических частиц в космическом пространстве, известный как ускорение Ферми. Коллектив из Университета Бирмингема разработал миниатюрный «ускоритель» размером всего 100 микрон, где облако ультрахолодных атомов разгоняется до скорости, превышающей полметра в секунду. Данный подход позволил не только визуализировать сам процесс, но и подтвердить фундаментальные теоретические прогнозы, включая гипотезу Белла о распределении энергий.
Концепция ускорения Ферми возникла в 1940-х годах, когда Энрико Ферми выдвинул идею о том, что заряженные частицы могут приобретать энергию через многократные столкновения с движущимися магнитными полями в астрофизической плазме. В космосе такую функцию выполняют ударные волны от взрывов сверхновых и магнитные турбуленции. Однако до настоящего момента этот процесс не удавалось воспроизвести в лабораторных условиях напрямую.
Эволюция атомного облака во времени: a) плотность в координатном пространстве (x) без учёта взаимодействий; b) распределение в импульсном пространстве без взаимодействий; c) плотность в x-пространстве с учётом межатомных взаимодействий; d) распределение в импульсном пространстве со взаимодействиями. Контурные карты созданы путём наложения 350 одномерных профилей плотности. Цветовая палитра специально усилена для выделения деталей. Источник: Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/nrjv-pwy1
В новом эксперименте физики заменили магнитные зеркала лазерными барьерами и применили облако атомов рубидия, охлаждённых до температур порядка десятков нанокельвинов. Один из барьеров двигался навстречу частицам, другой оставался неподвижным. Каждый раз, сталкиваясь с движущимся барьером, атомы ускорялись, накапливая энергию. Когда их кинетическая энергия достигала определённого порога, они вырывались наружу в форме узкого потока — так называемого «атомного джета».
Максимальная скорость этого джета составляла 0,5 м/с всего за 5 миллисекунд, что сопоставимо с более сложными методами ускорения в квантовой оптике. По словам авторов, при уменьшении потерь и оптимизации лазеров, теоретически возможно добиться ещё больших скоростей без фундаментальных ограничений.
Примечательно, что исследователи проверили одно из основных теоретических прогнозов механизма Ферми: распределение энергий ускоряемых частиц должно соответствовать степенному закону, где вероятность «выживания» в ускорителе после каждого столкновения влияет на форму спектра. Анализируя число оставшихся атомов и их среднюю энергию после каждой фазы разгона, учёные подтвердили этот эффект, выявляя именно такое степенное распределение.
Данный эксперимент открывает новое направление — использование систем с холодными атомами для моделирования процессов, характерных для астрофизики высоких энергий. Он позволяет изучать не только классическое ускорение Ферми, но и более сложные сценарии: стохастическое ускорение, влияние волн Альфвена, или взаимодействия между частицами. Это создаёт уникальную платформу для исследования космических явлений, ранее доступных лишь через численные модели или косвенные наблюдения.
Кроме того, такая система может быть полезна и в других научных сферах, например, в разработке технологий для квантовой химии и атомной оптики, где требуются компактные и контролируемые источники ускоренных частиц с узким импульсным распределением.
Источник: iXBT
