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中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等，在高能宇宙射線費(fèi)米加速的實(shí)驗(yàn)室研究方面取得進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)利用上?！吧窆釯I”高功率激光裝置，首次觀測(cè)到磁化無(wú)碰撞沖擊波中“費(fèi)米加速循環(huán)”的單次反射加速過(guò)程產(chǎn)生的準(zhǔn)單能離子。2月12日，相關(guān)研究成果以Laboratory observation of ion drift acceleration via reflection off laser - produced magnetized collisionless shocks為題，在線發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上。

無(wú)碰撞沖擊波是宇宙中最強(qiáng)大的粒子加速器。帶電粒子在無(wú)碰撞沖擊波上下游之間反射時(shí)獲得加速，上下游之間多次循環(huán)加速產(chǎn)生冪律譜的高能宇宙射線。最早由費(fèi)米提出的磁化無(wú)碰撞沖擊波中“費(fèi)米加速循環(huán)”，被認(rèn)為是宇宙中高能帶電粒子的主要加速機(jī)制。在進(jìn)入“費(fèi)米加速循環(huán)”前，帶電粒子必須被預(yù)加速到足夠大的回旋半徑以實(shí)現(xiàn)在磁化無(wú)碰撞沖擊波上下游之間反射。因此，學(xué)術(shù)界提出了一些預(yù)加速機(jī)制解決這一“注入問(wèn)題”。但是，由于空間探測(cè)不足，對(duì)無(wú)碰撞沖擊波的形成和演化以及高能宇宙射線的加速過(guò)程缺乏全面理解。當(dāng)前，利用高功率激光裝置進(jìn)行研究，在可控性和重復(fù)性方面形成了優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了空間探測(cè)不足，但對(duì)高能宇宙射線“費(fèi)米加速循環(huán)”的單次反射加速過(guò)程缺乏實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，對(duì)于哪種預(yù)加速機(jī)制占據(jù)主導(dǎo)的問(wèn)題仍存在較大爭(zhēng)議。

該研究利用“神光II”大型激光裝置燒蝕靶物質(zhì)產(chǎn)生的高速等離子體流，在磁化背景等離子體中驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生速度~400km/s、磁聲馬赫數(shù)~6的超臨界磁化無(wú)碰撞沖擊波，測(cè)量到2倍至4倍于沖擊波速度的準(zhǔn)單能離子。這是首次在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)觀測(cè)到磁化無(wú)碰撞沖擊波中“費(fèi)米加速循環(huán)”對(duì)離子的單次反射加速現(xiàn)象，與衛(wèi)星在地球“弓激波”中探測(cè)到的現(xiàn)象一致。研究發(fā)現(xiàn)，漂移加速主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)和地球“弓激波”中的離子加速，這相較于傳統(tǒng)的沖浪加速機(jī)制具有更高的加速效率。結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)室研究可以補(bǔ)充遙感及飛行器探測(cè)的不足，有望促進(jìn)高能宇宙射線研究的發(fā)展。實(shí)驗(yàn)引入數(shù)特斯拉的磁場(chǎng)可以提高離子加速效率，為改進(jìn)激光驅(qū)動(dòng)的離子加速器設(shè)計(jì)提供了參考。

研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)等的支持。

論文鏈接

“神光II”激光裝置的磁化無(wú)碰撞沖擊波離子加速實(shí)驗(yàn)