近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院胡廣月副教授和地球和空間科學(xué)學(xué)院陸全明教授合作的科研團(tuán)隊，在高能宇宙射線費(fèi)米加速的實驗室研究方面取得重要進(jìn)展。團(tuán)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(fèi)米加速循環(huán)”的單次反射加速過程產(chǎn)生的準(zhǔn)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(fā)表于在國際知名學(xué)術(shù)期刊Science Advances上。
 

　　無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(huán)加速產(chǎn)生了冪律譜的高能宇宙射線。最早由費(fèi)米提出的這種磁化無碰撞沖擊波中“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)”之前，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，為此，學(xué)界提出了一些“預(yù)加速機(jī)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(jìn)行的研究在可控性和重復(fù)性方面的優(yōu)勢彌補(bǔ)了空間探測的不足，但目前對高能宇宙射線“費(fèi)米加速循環(huán)”的單次反射加速過程還缺乏實驗觀測，對于哪種預(yù)加速機(jī)制占主導(dǎo)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(xué)干涉和紋影方法測量的磁化無碰撞沖擊波的二維結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，有磁場時紋影顯示的激波間斷面區(qū)域更窄、但加速離子形成的激波ramp和foot區(qū)的密度更高。
 

　　研究團(tuán)隊利用 “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)生了速度~400km/s、磁聲馬赫數(shù)~6的超臨界磁化無碰撞沖擊波，測量到2-4倍于沖擊波速度的準(zhǔn)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(fèi)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“弓形波”中探測到的現(xiàn)象一致。研究表明，漂移加速主導(dǎo)了本實驗和地球“弓形波”中的離子加速過程，這一機(jī)制相較于沖浪加速機(jī)制具有更高的加速效率。此結(jié)果顯示，實驗室研究可以補(bǔ)充遙感及飛行器探測的不足，有望顯著促進(jìn)高能宇宙射線研究的發(fā)展。實驗中觀測到引入數(shù)特斯拉的磁場可以顯著提高離子加速效率，這一發(fā)現(xiàn)為改進(jìn)激光驅(qū)動的離子加速器設(shè)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(qū)標(biāo)出了沖擊波速度)，也出現(xiàn)了2-4倍于沖擊波速度的準(zhǔn)單能快離子，(b)漂移加速(SDA)而不是沖浪加速(SSA)主導(dǎo)了離子加速過程。

 

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)唐檜波博士后和中國科學(xué)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(xué)技術(shù)大學(xué)胡廣月副教授、陸全明教授為通訊作者。中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所、上海應(yīng)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(xué)、羅徹斯特大學(xué)為該論文的合作單位。該工作得到了中國科學(xué)院先導(dǎo)項目、國家自然科學(xué)基金以及中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)的資助。