Учёные использовали ультрахолодные атомы, чтобы успешно продемонстрировать новый метод ускорения частиц, который может помочь по-новому взглянуть на поведение космических лучей, говорится в новом исследовании.
Значимый прорыв в астрофизике высоких энергий
Более чем через 70 лет после формулировки механизма ускорения Ферми исследователи наблюдали его в лаборатории, сталкивая ультрахолодные атомы с инженерными подвижными потенциальными барьерами. Это стало важной вехой в астрофизике высоких энергий и не только.
Механизм ускорения Ферми отвечает за генерацию космических лучей, как постулировал физик Энрико Ферми в 1949 году. Сам процесс также обладает некоторыми универсальными свойствами, которые породили широкий спектр математических моделей, таких как модель Ферми-Улама. Однако до сих пор было сложно создать надёжный ускоритель Ферми на Земле.
Успех международного исследовательского коллектива
Опубликовав свои результаты в журнале Physical Review Letters, международная исследовательская группа из университетов Бирмингема и Чикаго рассказала об успехе в создании полностью управляемого ускорителя Ферми и использовании его для наблюдения значительного ускорения частиц.
Ускоритель размером всего 100 микрометров может быстро ускорять ультрахолодные образцы до скоростей более полуметра в секунду. Это достигается за счёт того, что подвижные оптические потенциальные барьеры сталкиваются с захваченными ультрахолодными атомами.
Комбинируя прирост энергии и потери частиц, учёные также могут получать энергетические спектры, аналогичные тем, что наблюдаются у космических лучей, — это первая прямая проверка так называемого результата Белла, который лежит в основе каждой модели ускорения космических лучей.
Соавтор исследования доктор Амита Деб из Университета Бирмингема прокомментировала: «Результаты, полученные на нашем ускорителе Ферми, превосходят лучшие в своём классе методы ускорения, используемые в квантовых технологиях. Технология имеет дополнительные преимущества, заключающиеся в исключительно простой и миниатюрной установке, а также в отсутствии теоретических верхних пределов».
Потенциал для высокоточного контроля над ускорением частиц
Генерация ускорителем ультрахолодных атомных струй демонстрирует потенциал для высокоточного контроля над ускорением частиц. Возможность изучения ускорения Ферми с помощью холодных атомов открывает новые возможности для исследования явлений, имеющих отношение к астрофизике высоких энергий.
Дальнейшие направления исследований включают изучение ускорения частиц при ударных волнах, магнитном пересоединении и турбулентности — критически важных процессах во Вселенной. Изучение квантового ускорения Ферми может привести к разработке новых инструментов для манипулирования квантовыми волновыми пакетами, открывая многообещающие пути для развития квантовой информатики.
Доктор Вера Гуаррера, один из ведущих авторов исследования из Университета Бирмингема, прокомментировала: «Наша работа представляет собой первый шаг к изучению более сложных астрофизических механизмов в лаборатории. Простота и эффективность нашего ускорителя Ферми делают его мощным инструментом как для фундаментальных исследований, так и для практических применений в квантовых технологиях».
Исследовательская группа планирует и дальше изучать возможности своего ускорителя Ферми в различных областях, включая квантовую химию и атомтронику. Они намерены исследовать, как различные виды взаимодействий влияют на скорость ускорения и максимально достижимую энергию, что даст ценную информацию как для теоретической, так и для экспериментальной физики.
Предоставлено Университетом Бирмингема.