Учёным впервые удалось воспроизвести в лаборатории ускорение Ферми — ключевой процесс появления высокоэнергичных частиц в космосе. Команда из Университета Бирмингема создала миниатюрный «ускоритель» размером всего 100 микрон, где 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 возникла в 1940-х годах, когда Энрико Ферми предположил, что заряженные частицы могут получать энергию многократными столкновениями с движущимися магнитными полями в астрофизической плазме. В космосе такому процессу способствуют ударные волны от взрывов сверхновых и магнитные турбуленции. Однако этот процесс до сих пор не удавалось наблюдать в лаборатории напрямую.
В ходе эксперимента физики заменили магнитные зеркала лазерными преградами и применили облако атомов рубидия, охлаждённое до температур нанокельвинов. Один барьер двигался навстречу частицам, другой оставался неподвижным. При столкновении с движущимся барьером атомы ускорялись, накапливая энергию. По достижении определённого порога кинетической энергии атомы вырывались наружу, образуя узкую струю — «атомный джет».
Джет развивал скорость до 0,5 м/с за 5 миллисекунд. Такие показатели сопоставимы с более сложными методами ускорения в квантовой оптике. Авторы считают, что при уменьшении потерь и улучшении лазеров теоретически можно достигнуть больших скоростей без фундаментальных ограничений.
Учёные проверили теоретическое предсказание механизма Ферми: распределение энергий ускоренных частиц должно подчиняться степенному закону, где вероятность «выживания» в ускорителе после каждого столкновения влияет на форму спектра. Измерение числа оставшихся атомов и их средней энергии после каждой фазы разгона подтвердило этот эффект, наблюдая то самое степенное распределение.
Эксперимент открывает новую область — применение систем с холодными атомами для моделирования процессов высоких энергий астрофизики. С его помощью можно исследовать не только классическое ускорение Ферми, но и более сложные сценарии: стохастическое ускорение, влияние волн Альфвена, взаимодействие частиц. Это создаёт уникальную платформу для изучения космических явлений, ранее доступных лишь через численное моделирование или косвенные наблюдения.
Такая система может быть полезна и в других областях: например, в разработках технологий для квантовой химии и атомной оптики. В этих областях необходимы компакты и управляемые источники ускоренных частиц с узким распределением по импульсу.