中國科學(xué)院紫金山天文臺聯(lián)合中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等，在高能宇宙射線費米加速的實驗室研究方面取得進展。該團隊利用上海“神光II”高功率激光裝置，首次觀測到磁化無碰撞沖擊波中“費米加速循環(huán)”的單次反射加速過程產(chǎn)生的準單能離子。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)進展》（Science Advances）上。
無碰撞沖擊波是宇宙中最強大的粒子加速器。帶電粒子在無碰撞沖擊波上下游之間反射時獲得加速，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。最早由費米提出的磁化無碰撞沖擊波中“費米加速循環(huán)”，被認為是宇宙中高能帶電粒子的主要加速機制。在進入“費米加速循環(huán)”前，帶電粒子必須被預(yù)加速到足夠大的回旋半徑以實現(xiàn)在磁化無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)加速機制解決這一“注入問題”。但是，由于空間探測不足，對無碰撞沖擊波的形成和演化以及高能宇宙射線的加速過程缺乏全面理解。當(dāng)前，利用高功率激光裝置進行研究，在可控性和重復(fù)性方面形成了優(yōu)勢，彌補了空間探測不足，但對高能宇宙射線“費米加速循環(huán)”的單次反射加速過程缺乏實驗觀測，對于哪種預(yù)加速機制占據(jù)主導(dǎo)的問題仍存在較大爭議。
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)動產(chǎn)生速度~400km/s、磁聲馬赫數(shù)~6的超臨界磁化無碰撞沖擊波，測量到2倍至4倍于沖擊波速度的準單能離子。這是首次在實驗室內(nèi)觀測到磁化無碰撞沖擊波中“費米加速循環(huán)”對離子的單次反射加速現(xiàn)象，與衛(wèi)星在地球“弓激波”中探測到的現(xiàn)象一致。研究發(fā)現(xiàn)，漂移加速主導(dǎo)實驗和地球“弓激波”中的離子加速，這相較于傳統(tǒng)的沖浪加速機制具有更高的加速效率。結(jié)果顯示，實驗室研究可以補充遙感及飛行器探測的不足，有望促進高能宇宙射線研究的發(fā)展。實驗引入數(shù)特斯拉的磁場可以提高離子加速效率，為改進激光驅(qū)動的離子加速器設(shè)計提供了參考。
研究工作得到國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項等的支持。
論文鏈接
“神光II”激光裝置的磁化無碰撞沖擊波離子加速實驗
本文鏈接：科研人員觀測到高能宇宙射線費米加速的單步過程http://m.sq15.cn/show-12-779-0.html
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