中国科大首次实验观测到高能宇宙射线费米加速的单步过程

近日，我校核科学技术学院胡广月副教授和地球空间科学学院陆全明教授合作的科研团队，在高能宇宙射线费米加速的实验室研究方面取得重要进展。团队利用上海“神光II”高功率激光装置，首次观测到磁化无碰撞冲击波中“费米加速循环”的单次反射加速过程产生的准单能离子，研究成果以 “Laboratory observation of ion drift acceleration via reflection off laser - produced magnetized collisionless shocks”为题，于2月12日在线发表于在国际知名学术期刊Science Advances上。

无碰撞冲击波是宇宙中最强大的粒子加速器，带电粒子在无碰撞冲击波上下游之间反射时会获得加速、上下游之间多次循环加速产生了幂律谱的高能宇宙射线。最早由费米提出的这种磁化无碰撞冲击波中“费米加速循环”被认为是宇宙中高能带电粒子的主要加速机制。在进入“费米加速循环”之前，带电粒子必须被预加速到足够大的回旋半径以实现在磁化无碰撞冲击波上下游之间反射，为此，学界提出了一些“预加速机制”解决这种“注入问题”。然而由于空间探测的不足，无碰撞冲击波的形成和演化以及高能宇宙射线的加速过程仍然缺乏全面的理解，尽管利用高功率激光装置进行的研究在可控性和重复性方面的优势弥补了空间探测的不足，但目前对高能宇宙射线“费米加速循环”的单次反射加速过程还缺乏实验观测，对于哪种预加速机制占主导的问题仍有较大争议。

图1 神光II激光装置的磁化无碰撞冲击波离子加速实验。(a)实验布局图，(b)光学干涉和纹影方法测量的磁化无碰撞冲击波的二维结构，轮廓线是纹影测量的激波间断面、色彩是干涉测量的激波面密度分布，(c)有无磁场时测量的无碰撞冲击波一维结构，有磁场时纹影显示的激波间断面区域更窄、但加速离子形成的激波ramp和foot区的密度更高。

研究团队利用 “神光II” 大型激光装置烧蚀靶物质产生的高速等离子体流，在磁化背景等离子体中驱动产生了速度~400km/s、磁声马赫数~6的超临界磁化无碰撞冲击波，测量到2-4倍于冲击波速度的准单能离子，这是首次在实验室内观测到磁化无碰撞冲击波中“费米加速循环”对离子的单次反射加速现象，与卫星在地球“弓形波”中探测到的现象一致。研究表明，漂移加速主导了本实验和地球“弓形波”中的离子加速过程，这一机制相较于冲浪加速机制具有更高的加速效率。此结果显示，实验室研究可以补充遥感及飞行器探测的不足，有望显著促进高能宇宙射线研究的发展。实验中观测到引入数特斯拉的磁场可以显著提高离子加速效率，这一发现为改进激光驱动的离子加速器设计提供了参考。

图2 (a)实验测量的离子谱，除了接近冲击波速度的活塞离子(阴影区标出了冲击波速度)，也出现了2-4倍于冲击波速度的准单能快离子，(b)漂移加速(SDA)而不是冲浪加速(SSA)主导了离子加速过程。

中国科学技术大学唐桧波博士后和中国科学院紫金山天文台郝宇飞副研究员为论文的共同第一作者。中国科学技术大学胡广月副教授、陆全明教授为通讯作者。中国科学院上海光学精密机械研究所、上海应用物理研究所、国家天文台、物理研究所、上海激光等离子体研究所、上海交通大学、罗彻斯特大学为该论文的合作单位。该工作得到了中国科学院先导项目、国家自然科学基金以及中央高校基本科研业务费的资助。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn3320