Учёные использовали ультрахолодные атомы, чтобы успешно продемонстрировать новый метод ускорения частиц, который может помочь по-новому понять поведение космических лучей, говорится в новом исследовании.
Более чем через 70 лет после формулировки исследователи наблюдали механизм ускорения Ферми в лаборатории, сталкивая ультрахолодные атомы с искусственными подвижными потенциальными барьерами — это стало важной вехой в астрофизике высоких энергий и не только.
Механизм ускорения Ферми — это процесс, ответственный за генерацию космических лучей, как предположил 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.
Международная исследовательская группа из университетов Бирмингема и Чикаго опубликовала свои результаты в журнале Physical Review Letters. Учёные рассказали 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 получить 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.
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: исключительно простая и миниатюрная установка, отсутствие теоретических верхних пределов».
Генерация ускорителем ультрахолодных атомных струй демонстрирует потенциал 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.
Будущие 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 управления квантовыми волновыми пакетами, предлагая перспективные направления для развития квантовой информатики.
Доктор Вера Гуаррера, один из ведущих авторов 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 изучить применение своего ускорителя Ферми в различных областях, включая квантовую химию и атомную технику. Они намерены исследовать, как различные виды взаимодействий влияют на скорость ускорения и достижимую максимальную энергию, что даст ценную информацию как для теоретической, так и для экспериментальной физики.
Предоставлено Университетом Бирмингема.