Ученые впервые воссоздали в лаборатории механизм, который разгоняет космические лучи — и сделали это с помощью облаков ультрахолодных атомов. Эксперимент подтвердил теорию, предложенную Энрико Ферми еще в 1949 году, но до сих пор остававшуюся гипотезой.

Ферми-ускорение — процесс, при котором частицы (например, протоны) многократно сталкиваются с движущимися магнитными полями или ударными волнами, постепенно набирая огромную энергию. Так космические лучи разгоняются до скоростей, близких к световым.

Команда из Бирмингемского и Чикагского университетов построила ускоритель размером в сотую долю миллиметра, где сталкивает атомы, охлажденные почти до абсолютного нуля, с подвижными оптическими барьерами. Атомы разгоняются до полуметра в секунду — для их масштаба это как космическая скорость.

Результаты опубликованы в издании Physical Review Letters.

Главный прорыв в том, что теперь можно изучать процессы, которые раньше наблюдали только в далеком космосе: как частицы набирают энергию в ударных волнах, турбулентности или при столкновениях. Установка не просто подтвердила теорию Ферми, но и дала спектры энергии, совпадающие с данными о реальных космических лучах.

Наш ускоритель проще и эффективнее всех существующих аналогов, — говорит Амита Деб, соавтор исследования. — У него нет теоретического предела по энергии, а размеры позволяют поместить его на чип.

Что дальше? Ученые хотят проверить, как разные типы взаимодействий влияют на разгон частиц, и адаптировать метод для квантовых технологий.

Например, создавать точные атомные пучки или моделировать процессы в ядрах галактик.

Это первый шаг к воспроизведению астрофизики в пробирке, — добавляет Вера Гуаррера, ведущий автор работы.

Исследование открывает три практических направления:

• Квантовые технологии: ускоритель может стать инструментом для управления частицами в квантовых компьютерах или сверхточных сенсорах.
• Астрофизика: теперь можно ставить эксперименты, которые раньше были возможны только в наблюдениях — например, изучать, как черные дыры «выстреливают» частицами.
• Материаловедение: метод позволяет моделировать экстремальные условия, например, в термоядерных реакторах.

Эксперимент работает только с ультрахолодными атомами — а в космосе частицы разгоняются в горячей плазме. Пока неясно, насколько результаты можно экстраполировать на реальные условия.

Ранее ученые нашли новые источники космических лучей.