Имитация ускорения Ферми
В 1949 году Энрико Ферми предложил способ, как заряженные частицы, которые мы наблюдаем как космические лучи, могут достигать таких огромных энергий. Однако этот механизм ускорения не был зафиксирован 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 не могут быть ускорены электрическими полями.
Как работает ускорение Ферми
В магнитном поле заряженная частица стремится двигаться по винтовой траектории, которая обвивает силовую линию. 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.
Этот сценарий считается основным механизмом ускорения космических лучей, таких как энергетические протоны, наблюдаемые в атмосфере. Но магнитные поля невидимы, поэтому ускорение Ферми не наблюдалось напрямую.
Эксперимент в лаборатории
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 ловушки в форме коробки из оптических стенок, 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.
Помимо демонстрации механизма ускорения, команда также измерила энергетический спектр ускользающих атомов, тонко контролируя скорость диссипации внутри ускорителя. Они сравнили свои данные с данными вывода 1978 года об энергетическом спектре космических лучей, ускоренных в астрофизических ударных фронтах [2].
Теория астрофизика Мартина Лемуана
Астрофизик Мартин Лемуан из Университета Париж СИТЕ недавно 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.
В теории Белла и в эксперименте Баронтини ускорение Ферми является классическим. Однако некоторые физики изучают, как запутанность, суперпозиция и другие квантовые эффекты могут изменить ускорение Ферми [4]. Баронтини также надеется добавить квантовые эффекты в свою установку. Он отмечает, что ускорение Ферми настолько универсально, что может работать и с квантовыми волновыми пакетами.
Быстрое ранжирование в групповых конкурсах
Многие соревновательные конкурсы включают более двух игроков, команд или продуктов. В чемпионате мира по футболу, например, команды изначально сражаются в группах по четыре. Хотя теоретики разработали алгоритмы для ранжирования выступлений участников в таких конкурсах, эти процедуры могут занять у современного настольного компьютера 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 — каждый групповой этап чемпионата мира по футболу, выборы в Американскую психологическую ассоциацию и опросы предпочтений суши. Алгоритм оказался в 2–70 раз быстрее стандартного подхода в зависимости от набора данных.
В рейтинге чемпионата мира по футболу четыре верхние позиции заняли команды с наибольшим количеством титулов: Бразилия, Германия, Италия и Аргентина. Но, что несколько удивительно, пятая позиция досталась Нидерландам, несмотря на отсутствие у них чемпионства мира.
— Райан Уилкинсон
Райан Уилкинсон — редактор журнала Physics Magazine, базирующийся в Дареме, Великобритания.
[1]: ссылка
[2]: ссылка
[3]: ссылка
[4]: ссылка