Ускорение Ферми в лабораторных условиях
В 1949 году Энрико Ферми предложил способ, как заряженные частицы, которые мы наблюдаем как космические лучи, могут достигать своих колоссальных энергий. Однако этот механизм ускорения до сих пор не был наблюдаем напрямую. Теперь исследователи воспроизвели ускорение Ферми с помощью ультрахолодных атомов в оптической ловушке [1].
Помимо открытия нового пути для изучения энергетических космических явлений в лаборатории, этот эксперимент предвещает эффективный способ ускорения нейтральных атомов, которые нельзя ускорить с помощью электрических полей.
Движение заряженных частиц в магнитном поле
В магнитном поле заряженная частица стремится двигаться по винтовой траектории, которая обвивает силовую линию. Таким образом, частица движется вдоль линии и может быть ускорена за счёт движения линии. Например, если частица движется вдоль одной стороны U-образной силовой линии к центру U, она внезапно изменит направление, когда перейдёт на другую сторону. Но если мост, соединяющий две стороны, одновременно движется навстречу частице в момент пересечения, частица получает ускорение, как резиновый мяч, отскакивающий от стены, которая движется ему навстречу.
В оригинальном предложении Ферми заряженные частицы ускоряются за счёт множества таких взаимодействий в турбулентной плазменной среде, такой как корона звёзд или ударные фронты сверхновых. В конце концов, частицы набирают достаточно энергии, чтобы вырваться из магнитного удержания, и некоторые из них могут позже появиться в атмосфере Земли в виде космических лучей.
Эксперимент с оптической ловушкой
Джованни Баронтини из Университета Бирмингема в Великобритании и его коллеги хотели создать аналог в лаборатории, который позволил бы им изучить процесс ускорения, происходящий в астрофизической плазме. В их эксперименте роль заряженных частиц играли холодные нейтральные атомы рубидия, а роль движущихся магнитных полей — движущаяся «стена» из интенсивных электромагнитных полей, создаваемых конфигурацией лазерных лучей. Лучи были сформированы с помощью цифрового микрозеркального устройства (DMD), массива из 1920 × 1080 крошечных зеркал, каждое из которых можно контролировать независимо.
Как только 25 000 атомов достигли начальной температуры в 20 нанокельвин внутри коробки-ловушки с оптическими стенками, исследователи заставили одну из стенок двигаться навстречу противоположной стенке со скоростью несколько миллиметров в секунду. По мере сближения стенок атомы отскакивали между ними и набирали энергию. Примерно через 25 мс некоторые атомы набрали достаточно энергии, чтобы вырваться из ловушки, со скоростью до 0,5 м/с, что эквивалентно температуре выше 1 милликельвин.
Измерение энергетического спектра
Помимо демонстрации механизма ускорения, команда также измерила энергетический спектр ускользающих атомов, тонко регулируя скорость диссипации внутри ускорителя. Они сравнили свои данные с данными о выводе 1978 года об энергетическом спектре космических лучей, ускоренных в астрофизических ударных фронтах [2]. Теория была разработана физиком-плазменником Энтони Беллом из Оксфордского университета в Великобритании. Спектр Белла представляет собой степенной закон, и новые данные согласуются с этим предсказанием.
Теория астрофизика Мартина Лемуана
Астрофизик Мартин Лемуан из Университета Париж Сёйт разработал теорию, объясняющую случайность ускорения Ферми [3]. «В ударных волнах ускоренные частицы вызывают плазменные нестабильности, которые генерируют сильную турбулентность», — говорит он. Эта турбулентность оказывает важное влияние на ускорение частиц, и он надеется, что новый эксперимент позволит изучить эту теорию.
Быстрое ранжирование в групповых конкурсах
Многие соревновательные конкурсы включают более двух игроков, команд или продуктов. В чемпионате мира по футболу, например, команды изначально соревнуются в группах по четыре человека. Хотя теоретики разработали алгоритмы для ранжирования выступлений участников в таких конкурсах, на выполнение этих процедур на современном настольном компьютере могут уйти часы, если участников много и соревнования индивидуальные.
Эффективная альтернатива была разработана Филиппо Радиччи и его коллегами из Университета Индианы в Блумингтоне [1]. Внедрив свой алгоритм на различных наборах данных, исследователи продемонстрировали его широкое применение.
В 2023 году физик Марк Ньюман предложил алгоритм быстрого ранжирования для боксёрских турниров, шахматных соревнований и других конкурсов, где одновременно сражаются только два участника. Этот алгоритм использует итеративный процесс, который постепенно сходится к окончательному ранжированию и обычно в 3–100 раз быстрее стандартного подхода, впервые представленного почти столетие назад.
Исследователи применили свой алгоритм к нескольким наборам данных из реальной жизни. Среди них — все этапы группового этапа чемпионата мира по футболу, выборы в Американскую психологическую ассоциацию и опросы о предпочтениях в суши. Было обнаружено, что алгоритм в 2–70 раз быстрее стандартного подхода, в зависимости от набора данных. В рейтинге чемпионата мира первые четыре позиции достались командам с наибольшим количеством титулов: Бразилии, Германии, Италии и Аргентине. Но, что несколько удивительно, пятая позиция досталась Нидерландам, несмотря на отсутствие у них чемпионства мира.
— Райан Уилкинсон,
Райан Уилкинсон — редактор журнала Physics Magazine, Великобритания.
[1] — ссылка на источник
[2] — ссылка на источник
[3] — ссылка на источник
[4] — ссылка на источник
Примечания
Чарльз Дэй — старший редактор журнала Physics Magazine.
Райан Уилкинсон — редактор журнала Physics Magazine, Великобритания.