بر اساس یک مطالعه جدید، دانشمندان با استفاده از اتم‌های فوق‌سرد به پیشرفت بزرگی در فیزیک ذرات دست یافته‌اند که روش جدیدی برای شتاب‌دهی ارائه داده و بینشی جدید در مورد رفتار مرموز پرتوهای کیهانی ارائه می‌دهد.
برای اولین بار، محققان پدیده‌ای به نام مکانیک شتاب فِرمی (Fermi) را که بیش از 70 سال پیش پیشنهاد شده بود، در داخل آزمایشگاه با دستگاهی به کوچکی یک تار موی انسان بازسازی کرده‌اند. آنها این کار را با برخورد اتم‌های فوق‌سرد با موانع پتانسیلی متحرک و مخصوص طراحی شده انجام دادند. این موفقیت، یک دستاورد مهم در مطالعه اخترفیزیک پرانرژی به شمار می‌رود.
شتاب فرمی، که توسط فیزیکدان انریکو فرمی در سال 1949 معرفی شد، عامل توضیح‌دهنده چگونگی دستیابی پرتوهای کیهانی به انرژی‌های فوق‌العاده‌شان است. این فرآیند همچنین ویژگی‌های جهانی خاصی را از خود نشان می‌دهد که الهام‌بخش چندین مدل ریاضی از جمله مدل شناخته شده فرمی-اولام بوده است. با وجود چندین دهه تلاش، دانشمندان تا کنون نتوانسته بودند نسخه قابل اعتمادی از این شتاب‌دهنده را روی زمین بسازند.
در مقاله‌ای که در “Physical Review Letters” منتشر شد، تیمی از محققان دانشگاه‌های بیرمنگام و شیکاگو، جزئیات موفقیت خود را در ساخت یک شتاب‌دهنده فرمی کاملاً قابل کنترل شرح داده‌اند. این دستگاه تجربی به آنها اجازه داد تا برای اولین بار شتاب ذرات قابل توجهی را در یک محیط کنترل شده به طور مستقیم مشاهده کنند.
شتاب‌دهنده مینیاتوری با پتانسیل بزرگ
این شتاب‌دهنده – تنها 100 میکرومتر اندازه دارد – می‌تواند به سرعت نمونه‌های فوق‌سرد را به سرعت‌هایی بیش از نیم متر بر ثانیه شتاب دهد. این کار را با برخورد موانع پتانسیل نوری متحرک با اتم‌های فوق‌سرد به دام افتاده انجام می‌دهد.
با ترکیب افزایش انرژی و تلفات ذرات، دانشمندان می‌توانند طیف‌های انرژی مشابه با آنچه در پرتوهای کیهانی مشاهده می‌شود را نیز به دست آورند و اولین تأیید مستقیم از چیزی را که نتیجه بل نامیده می‌شود، ارائه دهند که در هسته هر مدل شتاب پرتوهای کیهانی قرار دارد.
دکتر آمیتا دب، از دانشگاه بیرمنگام، یکی از نویسندگان همکار، اظهار داشت:
نتایج به دست آمده توسط شتاب‌دهنده فرمی ما از بهترین روش‌های شتاب‌دهی مورد استفاده در فناوری کوانتومی فراتر رفته است. این فناوری مزایای اضافی از جمله راه‌اندازی بسیار ساده و مینیاتوری و عدم وجود محدودیت‌های نظری بالادستی را نیز دارد.
به سوی شبیه‌سازی جهان در آزمایشگاه
تولید جت‌های اتمی فوق‌سرد توسط این شتاب‌دهنده، پتانسیل کنترل دقیق بر شتاب ذرات را نشان می‌دهد. توانایی مطالعه شتاب فرمی با اتم‌های سرد، امکانات جدیدی را برای بررسی پدیده‌های مرتبط با اخترفیزیک پرانرژی ایجاد می‌کند.
زمینه‌های تحقیقاتی آینده شامل مطالعه شتاب ذرات در شوک‌ها، باز اتصال مغناطیسی و تلاطم است که فرآیندهای حیاتی در جهان هستند. مطالعه شتاب کوانتومی فرمی می‌تواند به توسعه ابزارهای جدید برای دستکاری بسته‌های موج کوانتومی منجر شود و راه‌های امیدبخشی را برای پیشرفت در علم اطلاعات کوانتومی ارائه دهد.
دکتر ورا گواررا، یکی از نویسندگان اصلی از دانشگاه بیرمنگام، اظهار داشت:
کار ما اولین گام در جهت مطالعه مکانیسم‌های اخترفیزیکی پیچیده‌تر در آزمایشگاه است. سادگی و اثربخشی شتاب‌دهنده فرمی ما آن را به ابزاری قدرتمند برای تحقیقات بنیادی و کاربردهای عملی در فناوری کوانتومی تبدیل می‌کند.
تیم تحقیقاتی قصد دارد کاربردهای شتاب‌دهنده فرمی خود را در زمینه‌های مختلف، از جمله شیمی کوانتومی و اتمترونیک، بیشتر بررسی کند. آنها قصد دارند نحوه تأثیر انواع مختلف برهم‌کنش‌ها بر سرعت شتاب و حداکثر انرژی قابل دستیابی را بررسی کنند و بینش‌های ارزشمندی را برای فیزیک نظری و تجربی فراهم آورند.
منبع: Scitechdaily
