Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) han logrado la primera observación directa en laboratorio de la aceleración de iones mediante la reflexión en choques colisionless magnetizados generados por láseres. Este hallazgo demuestra cómo los iones adquieren energía al rebotar en choques supercríticos, un fenómeno central en el mecanismo de aceleración de Fermi. La investigación ha sido publicada en Science Advances.
Los choques colisionless son potentes generadores cósmicos responsables de acelerar partículas cargadas a energías extremas. Este proceso de aceleración implica que las partículas atraviesan repetidamente frentes de choque, ganando energía de manera incremental. Sin embargo, la pregunta de cómo las partículas obtienen inicialmente suficiente energía para entrar en este ciclo ha sido objeto de debate durante décadas. Dos teorías competidoras, la aceleración por deriva de choque (SDA) y la aceleración por surf de choque (SSA), han emergido, pero limitaciones observacionales en el espacio y en experimentos de laboratorio previos han dejado la cuestión sin resolver.
Experimentos en el laboratorio y sus implicaciones
El nuevo experimento, realizado en la instalación láser Shenguang-II de China, recreó un escenario de choque astrofísico controlado. Los investigadores utilizaron láseres de alta energía para generar un plasma ambiental magnetizado y un plasma «pistón» supersónico. Cuando el pistón colisionó con el plasma ambiental a velocidades superiores a 400 km/s, se produjo un choque cuasi-perpendicular supercrítico, similar a los observados en las proximidades de la Tierra.
El equipo empleó diagnósticos avanzados, como interferometría óptica y mediciones de tiempo de vuelo de iones, para capturar la estructura del choque y la dinámica de los iones. Se observó un haz de iones cuasi-monoenergéticos fluyendo aguas arriba a velocidades de entre 1,100 y 1,800 km/s, lo que equivale de dos a cuatro veces la velocidad del choque. Este componente de iones rápidos reflejó firmas detectadas en el choque de la proa de la Tierra, pero con una claridad sin precedentes.
Una parte clave del descubrimiento fueron las simulaciones de partículas en celda, que rastrearon las trayectorias de los iones y los campos electromagnéticos. Estas simulaciones revelaron que los iones reflejados ganaron energía principalmente a través del campo eléctrico motional del choque, una característica distintiva de la SDA. Durante la reflexión, los iones interactuaron tanto con el campo electrostático del choque como con el campo magnético comprimido, acelerándose tanto a lo largo como perpendicularmente al frente del choque. Este mecanismo de aceleración dual produjo un haz de iones de alta velocidad.
Es notable que la fuerza del campo magnético del experimento (5-6 Tesla) y las condiciones del plasma cerraron la brecha entre estudios de laboratorio previos y choques astrofísicos, permitiendo una comparación directa con observaciones espaciales. Los resultados del estudio descartaron la SSA como el proceso dominante, cerrando así un debate que ha durado décadas.
Al confirmar el papel de la SDA en la inyección de iones, el estudio valida los modelos utilizados para interpretar los orígenes de los rayos cósmicos y los restos de supernovas. Además, el diseño del experimento —una plataforma de choque reproducible y ajustable— ofrece una nueva herramienta para estudiar la dinámica de partículas de alta energía en condiciones controladas. Las aplicaciones potenciales incluyen la optimización de aceleradores de iones impulsados por láser, donde los campos magnéticos podrían mejorar la calidad del haz, y la mejora de la fusión por confinamiento inercial al mitigar inestabilidades inducidas por choques.
Este avance no solo enriquece nuestra comprensión de la aceleración de partículas universales, sino que también demuestra cómo los experimentos de laboratorio pueden complementar la exploración espacial. A medida que los investigadores afinan estos métodos, futuros estudios pueden desentrañar cómo las reflexiones repetidas crean las energías extremas observadas en los rayos cósmicos, acercando a la humanidad a descifrar los aceleradores más poderosos del universo.
Más información:
Hui-bo Tang et al, Laboratory observation of ion drift acceleration via reflection off laser-produced magnetized collisionless shocks, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adn3320
