中國科大首次實驗觀測到高能宇宙射線費米加速的單步過程

近日，我校核科學技術學院胡廣月副教授和地球空間科學學院陸全明教授合作的科研團隊，在高能宇宙射線費米加速的實驗室研究方面取得重要進展。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”的單次反射加速過程產生的準單能離子，研究成果以 “Laboratory observation of ion drift acceleration via reflection off laser - produced magnetized collisionless shocks”為題，于2月12日在線發表于在國際知名學術期刊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會獲得加速、上下游之間多次循環加速產生了冪律譜的高能宇宙射線。最早由費米提出的這種磁化無碰撞沖擊波中“費米加速循環”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”之前，帶電粒子必須被預加速到足夠大的回旋半徑以實現在磁化無碰撞沖擊波上下游之間反射，為此，學界提出了一些“預加速機制”解決這種“注入問題”。然而由于空間探測的不足，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仍然缺乏全面的理解，盡管利用高功率激光裝置進行的研究在可控性和重復性方面的優勢彌補了空間探測的不足，但目前對高能宇宙射線“費米加速循環”的單次反射加速過程還缺乏實驗觀測，對于哪種預加速機制占主導的問題仍有較大爭議。

圖1 神光II激光裝置的磁化無碰撞沖擊波離子加速實驗。(a)實驗布局圖，(b)光學干涉和紋影方法測量的磁化無碰撞沖擊波的二維結構，輪廓線是紋影測量的激波間斷面、色彩是干涉測量的激波面密度分布，(c)有無磁場時測量的無碰撞沖擊波一維結構，有磁場時紋影顯示的激波間斷面區域更窄、但加速離子形成的激波ramp和foot區的密度更高。

研究團隊利用 “神光II” 大型激光裝置燒蝕靶物質產生的高速等離子體流，在磁化背景等離子體中驅動產生了速度~400km/s、磁聲馬赫數~6的超臨界磁化無碰撞沖擊波，測量到2-4倍于沖擊波速度的準單能離子，這是首次在實驗室內觀測到磁化無碰撞沖擊波中“費米加速循環”對離子的單次反射加速現象，與衛星在地球“弓形波”中探測到的現象一致。研究表明，漂移加速主導了本實驗和地球“弓形波”中的離子加速過程，這一機制相較于沖浪加速機制具有更高的加速效率。此結果顯示，實驗室研究可以補充遙感及飛行器探測的不足，有望顯著促進高能宇宙射線研究的發展。實驗中觀測到引入數特斯拉的磁場可以顯著提高離子加速效率，這一發現為改進激光驅動的離子加速器設計提供了參考。

圖2 (a)實驗測量的離子譜，除了接近沖擊波速度的活塞離子(陰影區標出了沖擊波速度)，也出現了2-4倍于沖擊波速度的準單能快離子，(b)漂移加速(SDA)而不是沖浪加速(SSA)主導了離子加速過程。

中國科學技術大學唐檜波博士后和中國科學院紫金山天文臺郝宇飛副研究員為論文的共同第一作者。中國科學技術大學胡廣月副教授、陸全明教授為通訊作者。中國科學院上海光學精密機械研究所、上海應用物理研究所、國家天文臺、物理研究所、上海激光等離子體研究所、上海交通大學、羅徹斯特大學為該論文的合作單位。該工作得到了中國科學院先導項目、國家自然科學基金以及中央高校基本科研業務費的資助。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn3320