70多年前提出的加速機制，首次在實驗中得到驗證

粒子加速在現代物理學中具有核心地位。例如，高能對撞機通過加速粒子并使其碰撞，幫助我們深入揭示微觀粒子的奧秘；在核聚變研究中，粒子的加速行為有助于維持等離子體的穩定；而在天體物理學中，它有助于解釋了高能宇宙粒子的起源。然而，宇宙中某些最重要的加速過程，至今仍停留在理論層面。

在一項新發表于《物理評論快報》的研究中，一個國際研究團隊利用光阱中的超冷原子，首次成功展示了一種名為“費米加速”的粒子加速機制。這一成果為在實驗室中研究高能宇宙現象打開了新路徑。

費米加速

1949年，恩里科·費米（Enrico Fermi）提出了一種機制，解釋了我們所觀測到的宇宙線中那些帶電粒子是如何獲得巨大能量的。該機制指出，當一個粒子與一個移動的磁鏡發生正面彈性碰撞時，它會獲得動能；而如果是尾部（追尾）碰撞，則會損失動能。但由于正面相遇的概率高于尾部碰撞，所以平均而言，粒子的能量會隨時間的推移而逐步增長。

在天體等離子體中，這種“費米加速”機制是通過粒子與磁場擾動的散射來實現的，但這一加速機制并不限于宇宙環境，它也適用于很多地球上的經典系統與量子系統，并且激發了許多具有獨特性質的數學模型。

然而，由于要想在地球上構建一個真正的費米加速器是一項極具挑戰的任務，因此長期以來，這一加速過程始終未被直接觀測到，直到現在。

冷原子與激光勢壘

在新的研究中，為了構建一個費米加速器，研究人員使用冷卻后的中性銣原子來模擬被加速的帶電粒子，而移動磁鏡的角色則由激光束產生的可控勢壘來承擔。這些勢壘由數字微鏡器件（DMD）動態生成，DMD通過調控激光束的空間分布，精確決定勢壘的位置與形狀。

在實驗中，研究人員在一個盒狀的光阱中將大約25000個銣原子冷卻至20納開爾文。隨后，他們會讓阱的一側以每秒幾毫米的速度緩慢向另一側靠近。當兩側勢壘不斷逼近時，原子在它們之間來回彈跳、不斷獲得能量。大約25毫秒后，一部分原子獲得足夠能量，以高達0.5米/秒的速度逃離，形成了“超冷原子噴流”。

除了展示加速機制外，研究人員還通過精確控制加速器內部的耗散率（即能量損失）來測量逸出原子的能譜，并將其與1978年由物理學家安東尼·貝爾（Anthony Bell）提出的理論進行了比較：貝爾提出的模型預測宇宙線遵循冪律分布，而實驗結果與這一預測高度吻合，這是對貝爾理論的首次直接驗證。

微型裝置的巨大潛能

這是一臺僅有約100微米大小的加速器，卻能將超冷原子快速加速到0.5米/秒以上的速度，其關鍵在于通過可控光學勢壘與被俘獲的超冷原子進行高效碰撞。研究人員表示，新研發的費米加速器所取得的效果，已經超越了目前量子技術中最先進的加速方法。

這臺加速器所產生的“超冷原子噴流”，展示了對粒子加速過程進行高精度操控的巨大潛力。而利用冷原子系統來研究費米加速機制，也為探索高能天體物理中的相關現象開辟了嶄新路徑。

研究人員預計，未來的研究將進一步擴展至激波中的粒子加速、磁重聯、以及宇宙中的湍流過程等關鍵物理機制。此外，探索“量子版”費米加速的可能性，也有望催生操縱量子波包的新工具，從而推動量子信息科學的發展。

研究團隊還計劃探索這一裝置在多個領域的潛力，包括量子化學與“原子電子學”（atomtronics）。他們將進一步研究不同類型的相互作用如何影響加速效率與可達到的最大能量，從而為理論與實驗物理帶來新的啟示。

#參考來源：

https://physics.aps.org/articles/v18/131

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/nrjv-pwy1

https://www.eurekalert.org/news-releases/1090660

#圖片來源：

封面圖&首圖：SerenityArt / Pixabay