长期以来,暗物质的探测一直是现代物理学的重大课题。然而,轻暗物质的探测面临一个根本性难题:现有探测器的灵敏度阈值过高,导致低能量信号无法被有效捕捉。该"阈值瓶颈"严重制约了轻暗物质探测实验的开展,成为制约该领域发展的关键障碍。 米格达尔效应为突破这一困境提供了理论可能。这一物理现象由苏联物理学家阿尔卡季·米格达尔在1939年首次提出。当原子核突然获得能量并加速运动时,其反冲过程中的内部电场会发生剧烈变化,部分能量可转移给原子核外的电子,使电子获得足够能量脱离原子束缚。这一过程会产生两条意义在于共同顶点的带电径迹,形成独特的物理特征。进入21世纪后,科学家们逐渐认识到,利用米格达尔效应可以显著降低暗物质探测的能量阈值,从而捕捉到更多低能量信号。 然而,理论预言与实验验证之间存在巨大鸿沟。自米格达尔提出这一理论以来的80多年间,中性粒子碰撞过程中的米格达尔效应始终未被直接观测到。这种"理论假设缺乏实证支撑"的状况,使得依赖该效应的暗物质探测实验长期面临质疑,严重影响了对应的研究的可信度和推进力度。 中国科学院大学教授刘倩团队通过自主研发创新,成功突破了这一难题。团队研制了"微结构气体探测器+像素读出芯片"的超灵敏探测装置,这套装置可以精确捕捉单个原子释放电子的过程,堪称观测微观世界的"超级照相机"。利用紧凑型氘—氘聚变反应加速器中子源,团队轰击装置内的气体分子,同时产生原子核反冲与米格达尔电子。通过分析这两种粒子形成的"共顶点"特征轨迹,团队成功地将米格达尔事件从伽马射线、宇宙射线等复杂背景干扰中精确区分出来,首次直接证实了1939年基于量子力学的理论预言。 这一成果远超单纯的物理验证。锦屏CDEX暗物质实验负责人岳骞指出,该发现不仅填补了84年来的实验空白,巩固了米格达尔效应的理论基础,更充分展现了我国高品质气体探测技术的国际先进水平。这为轻质量暗物质探测的实际应用迈出了坚实的第一步,有望在下一代暗物质探测器中得到广泛应用。 项目骨干成员、中国科学院大学教授郑阳恒表示,团队将与暗物质探测实验团队深入合作,将此次实验成果融入下一代探测器的研发中。这意味着米格达尔效应从理论走向应用的进程已经启动,有望在不远的将来为暗物质探测带来革命性突破。 此次研究工作汇聚了多所高校的科研力量。中国科学院大学担任牵头单位,广西大学负责核心探测器研发及测试验证,华中师范大学、兰州大学、南京师范大学、烟台大学等高校协同攻关。研究得到国家自然科学基金委创新研究群体项目、国家重点研发项目、广西人才小高地等多项资金支持,充分说明了国家对基础物理研究的重视。
从理论预言到实验证实——不仅是时间的跨越——更是测量能力和科学方法的进步;对米格达尔效应的验证为轻暗物质探测提供了新支点,也再次证明:在基础研究领域,对关键物理效应的扎实验证和技术积累,终将推动科学突破。