Холодные атомы на разгонной полосе: в лаборатории воспроизвели механизм ускорения космических лучей

13.07.2025 10:07:00 | iXBT.com

Впервые учёным удалось экспериментально воспроизвести в лаборатории ключевой процесс, отвечающий за появление высокоэнергичных частиц в космосе — так называемое ускорение Ферми. Команда из Университета Бирмингема собрала миниатюрный «ускоритель» размером всего 100 микрон, в котором облако ультрахолодных атомов разгоняется до скоростей свыше полуметра в секунду. Этот метод позволил не только продемонстрировать сам процесс, но и проверить фундаментальные теоретические предсказания, в том числе гипотезу Белла о спектре энергий.

Идея ускорения Ферми восходит к 1940-м годам, когда Энрико Ферми предложил, что заряженные частицы могут получать энергию, многократно сталкиваясь с движущимися магнитными полями в астрофизической плазме. В условиях космоса такую роль играют ударные волны от взрывов сверхновых и магнитные турбуленции. Но до сих пор этот процесс не удавалось наблюдать в лаборатории 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 построены путём наложения 350 одномерных профилей плотности. Цветовая шкала намеренно насыщена для выделения деталей. Источник: Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/nrjv-pwy1

В новом эксперименте физики заменили магнитные зеркала лазерными барьерами и использовали облако атомов рубидия, охлаждённых до температур в десятки нанокельвинов. Один из барьеров двигался навстречу частицам, другой оставался неподвижным. Каждый раз, сталкиваясь с движущейся преградой, атомы ускорялись, накапливая энергию. Когда их кинетическая энергия превышала определённый порог, они вырывались наружу в виде узкой струи — так называемого «атомного джета».

Максимальная скорость джета достигала 0,5 м/с всего за 5 миллисекунд — показатели, сравнимые с более сложными методами ускорения в квантовой оптике. Авторы отмечают, что при снижении потерь и оптимизации лазеров теоретически можно добиться ещё больших скоростей без фундаментальных ограничений.

Примечательно, что учёные проверили и одно из главных теоретических предсказаний механизма Ферми: распределение энергий ускоренных частиц должно подчиняться степенному закону, где вероятность «выживания» в ускорителе после каждого столкновения влияет на форму спектра. Измерив число оставшихся атомов и их среднюю энергию после каждой фазы разгона, учёные подтвердили этот эффект, наблюдая то самое степенное распределение.

Проведённый эксперимент открывает новое направление — использование систем с холодными атомами для моделирования процессов, типичных для астрофизики высоких энергий. С его помощью можно исследовать не только классическое ускорение Ферми, но и более сложные сценарии: стохастическое ускорение, влияние волн Альфвена, или роль взаимодействий между частицами. Это создаёт уникальную платформу для изучения космических явлений, ранее доступных только через численное моделирование или косвенные наблюдения.

Кроме того, такая система может оказаться полезной и в других областях — например, в разработке технологий для квантовой химии и атомной оптики, где требуются компактные и управляемые источники ускоренных частиц с узким распределением по импульсу.

Подробнее