&bala; Física 18, 131
Um mecanismo para acelerar partículas carregadas em plasmas astrofísicas foi reproduzido com átomos frios em uma armadilha óptica.
Em 1949, Enrico Fermi propôs uma maneira de partículas carregadas que observamos como raios cósmicos para atingir suas energias prodigiosas, mas esse mecanismo de aceleração não foi observado diretamente. Agora, os pesquisadores reproduziram essa aceleração de Fermi com átomos ultracold em uma armadilha óptica (1). Além de abrir um novo caminho para estudar fenômenos cósmicos energéticos no laboratório, o feito pressiona uma maneira eficaz de acelerar átomos neutros, que não podem ser acelerados com campos elétricos.
Em um campo magnético, uma partícula carregada tende a se mover em uma trajetória helicoidal que envolve uma linha de campo. Portanto, a partícula se transfer ao longo da linha e pode ser acelerada pelo movimento da linha. Por exemplo, se a partícula viajar ao longo de um lado de uma linha de campo em forma de U em direção ao centro do U, repentinamente reverterá a direção quando cruzar para o outro lado. Mas se a ponte que conecta os dois lados estiver se movendo simultaneamente em direção à partícula quando a travessia ocorre, a partícula recebe um impulso, como uma bola de borracha pulando de uma parede que está se movendo em direção a ela.
Na proposta unique de Fermi, as partículas carregadas são aceleradas por muitas dessas interações em ambientes plasmáticos turbulentos, como as coronas das estrelas ou as frentes de choque das supernovas. Eventualmente, as partículas ganham energia suficiente para fugir de seu confinamento magnético, e algumas podem aparecer mais tarde como raios cósmicos na atmosfera da Terra.
Pensa -se que esse cenário seja o principal mecanismo que acelera os raios cósmicos, como os prótons energéticos observados na atmosfera. Mas os campos magnéticos são invisíveis, portanto a aceleração de Fermi não foi observada diretamente. Giovanni Barontini, da Universidade de Birmingham, no Reino Unido, e seus colaboradores queriam criar um análogo no laboratório, o que lhes permitiria estudar o processo de aceleração que ocorre em plasmas astrofísicos. Em seu experimento, o papel das partículas carregadas foi desempenhado por átomos de rubídio frio e neutro, e o papel dos campos magnéticos em movimento foi desempenhado por uma “parede” móvel de campos eletromagnéticos intensos produzidos por uma configuração de vigas a laser. As vigas foram moldadas por um dispositivo de micromirror digital (DMD), uma matriz de 1920 × 1080 de pequenos espelhos, cada um dos quais pode ser controlado de forma independente.
Uma vez que os 25.000 átomos atingiram sua temperatura inicial de 20 nanokelvin dentro de uma armadilha em forma de caixa de paredes ópticas, os pesquisadores fizeram com que uma das paredes se movesse em direção à parede oposta a uma taxa de alguns milímetros por segundo. À medida que as paredes convergiam, os átomos saltaram entre eles e ganharam energia. Após cerca de 25 ms, alguns dos átomos ganharam energia suficiente para escapar da armadilha, com velocidades de 0,5 m/s, o equivalente a uma temperatura acima de 1 milikelvin.
Além de demonstrar o mecanismo de aceleração, a equipe também mediu o espectro de energia dos átomos de fuga controlando finamente a taxa de dissipação dentro do acelerador. Eles compararam seus dados com os de uma derivação de 1978 do espectro de energia dos raios cósmicos acelerados em frentes de choque astrofísicas (2). A teoria foi desenvolvida pelo físico plasmático Anthony Bell, da Universidade de Oxford, Reino Unido. O espectro de Bell é uma lei de energia e os novos dados concordaram com essa previsão.
A astrofísica Martin Lemoine, da Universidade de Paris Cité, desenvolveu recentemente uma teoria para explicar a aleatoriedade da aceleração de Fermi (3). “Nas ondas de choque, partículas aceleradas desencadeiam instabilidades plasmáticas que geram forte turbulência”, diz ele. Essa turbulência tem efeitos importantes na aceleração das partículas e ele espera que o novo experimento permita estudos dessa teoria. “Seria bonito testar essas idéias”, diz ele.
Na teoria de Bell e no experimento de Barontini, a aceleração de Fermi é clássica. No entanto, alguns físicos estão explorando como o emaranhamento, a superposição e outros efeitos quânticos podem mudar a aceleração de Fermi (4). Barontini também está ansioso para adicionar efeitos quânticos à sua configuração. Ele ressalta que a aceleração de Fermi é tão common que também pode funcionar em pacotes de ondas quânticas.
–Darles Day
Charles Day é um editor sênior para Revista de Física.
Referências
- G. Barontini et al.“Observação da aceleração de Fermi com átomos frios”. Phys. Rev. Lett. 135025201 (2025).
- Ar Bell, “A aceleração dos raios cósmicos em frentes de choque – eu,” Seg. Não. R. Astron. Soc. 182 (1978).
- M. Lemoine, “Teoria eficaz para aceleração de partículas estocásticas, com aplicação à turbulência magnetizada”. Phys. Rev. e (2025)(a ser publicado).
- S. Barbosa et al.“Estabilizar um gás Fermi ultracold contra a aceleração de Fermi à superdifusão através da localização”. Phys. Rev. Lett. 134253402 (2025).
