物理学家首次在实验室中利用超冷原子和一根不大于人类发丝的设备，再现了宇宙射线加速背后的机制。

近期一项研究表明，科学家们在粒子物理学领域取得了重大突破，他们利用超冷原子展示了一种新的加速方法，为揭示宇宙射线的神秘行为提供了新的见解。

研究人员首次在实验室中再现了70多年前首次提出的费米加速机制现象。他们使超冷原子与特别设计的可移动势垒发生碰撞，从而实现了这一目标。这一成功标志着高能天体物理学研究取得了重大进展。

物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi）于1949年提出了费米加速机制，该机制被认为可以解释宇宙射线是如何获得极高能量的。该过程还表现出某些普遍特征，从而激发了多个数学模型的建立，其中就包括著名的费米-乌拉姆模型。尽管科学家们几十年来一直在为此努力，但直到如今，他们才终于在地球上成功建造出了该加速器的可靠版本。

在《物理评论快报》上发表的一篇论文中，来自伯明翰大学和芝加哥大学的研究团队详细介绍了他们成功制造出一种完全可控的费米加速器的情况。该实验装置使他们得以首次在受控环境中直接观测到显著的粒子加速现象。

体型虽小，潜力巨大：微型加速器

该加速器（仅 100 微米大小）可通过使可移动的光学势垒与捕获的超冷原子发生碰撞，迅速将超冷样本加速到每秒半米以上的速度。

通过结合能量增益和粒子损失，科学家们还可以获得与在宇宙射线中观测到的类似的能谱，这为所谓的贝尔结果提供了首个直接验证，而该结果是每个宇宙射线加速模型的核心。

论文的共同作者、来自伯明翰大学的阿米塔·德布博士评论道：“我们的费米加速器所取得的结果，超越了量子技术中所使用的同类最佳加速方法。此外，该技术还具有设置异常简单、体积微型化的额外优势，且没有理论上的上限。”

在实验室中模拟宇宙

加速器产生的超冷原子束证明了在对粒子加速进行高精度控制方面的潜力。利用冷原子研究费米加速的能力为探索与高能天体物理学相关的现象开辟了新途径。

未来的研究领域包括冲击、磁重联和湍流中的粒子加速研究，这些都是宇宙中的关键过程。对量子费米加速的研究可能会推动操控量子波包的新工具的开发，为量子信息科学的进步提供有前景的途径。

伯明翰大学的主要作者之一维拉·瓜雷拉博士评论道：“我们的工作代表着在实验室研究更复杂天体物理机制的第一步。我们的费米加速器的简单性和有效性使其成为基础研究和量子技术实际应用中的有力工具。”

研究团队计划进一步探索其费米加速器在量子化学和原子电子学等多个领域的应用。他们旨在研究不同类型的相互作用如何影响加速速率和可获得的最大能量，从而为理论物理学和实验物理学提供宝贵的见解。

参考文献：G. Barontini, V. Naniyil, J. P. Stinton, D. G. Reid, J. M. F. Gunn, H. M. Price, A. B. Deb, D. Caprioli和V. Guarrera于2025年7月9日在《物理评论快报》上发表的“利用冷原子观测费米加速”。DOI：10.1103/nrjv-pwy1

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