长期以来,暗物质性质与分布被认为是理解宇宙起源、结构形成与演化的重要“钥匙”。
但暗物质与普通物质相互作用极弱,使得实验探测面临“信号罕见、能量极低、背景复杂”的多重挑战。
尤其在轻质量暗物质可能产生的微弱能量沉积区间,传统探测技术往往受限于探测阈值,难以有效记录事件,从而制约了对相关参数空间的覆盖。
围绕这一瓶颈,米格达尔效应被国际学界视为一条可能的突破路径。
该效应由物理学家阿尔卡季·米格达尔在1939年提出:当原子核因碰撞等原因突然反冲并加速时,体系内部电场迅速变化,可能将部分能量转移给核外电子,使其获得足够能量逸出,形成可被探测的电子信号,并与原子核反冲在空间上呈现“同一顶点”起源的关联特征。
进入21世纪,随着暗物质探测向更低阈值推进,这一效应的重要性不断上升。
然而,在中性粒子碰撞等关键场景中,米格达尔效应是否能够被清晰观测并区分背景,长期缺乏直接实验验证,也使得依赖该机制的探测策略面临“理论可行但证据不足”的现实疑问。
此次我国团队取得突破,核心在于“看得见、分得开、证得实”。
研究团队以中国科学院大学为牵头单位,联合多所高校协同攻关,自主研制“微结构气体探测器与像素读出芯片”结合的高灵敏装置,提升对低能电子与细微径迹的记录能力,相当于为“原子尺度过程”配备更高分辨率的成像手段。
在实验设计上,团队利用紧凑型氘—氘聚变反应加速器中子源,对探测器内气体分子实施轰击,在产生原子核反冲的同时诱发可能的米格达尔电子发射。
通过对事件形貌进行精细分析,团队抓住“反冲核与电子两条带电径迹共顶点”的关键指纹特征,并据此将相关事件从伽马射线、宇宙射线等常见背景中有效分离,最终实现对米格达尔效应的直接观测与确认。
这一成果的影响首先体现在基础物理层面:它填补了该效应在相关碰撞过程中的长期实验空白,为此前基于量子力学推演的关键机制提供直接证据支撑,有助于澄清学界对“是否存在、能否利用”的核心疑问。
其次体现在方法与技术层面:气体探测器的高精细读出能力、事件拓扑识别思路以及背景抑制策略,为低能稀有事件探测提供了可复制的技术路径,也反映出我国在高品质探测器研制与系统集成方面的综合能力。
再次体现在应用层面:对轻质量暗物质而言,若能利用米格达尔效应将原本难以触及的低能过程“转换”为可记录的电子信号,有望拓展探测的灵敏度边界,为后续实验设计提供更坚实的物理依据。
面向下一步工作,科研团队表示将与暗物质探测实验团队加强协作,把此次实验测得的关键结果纳入下一代探测器研发与数据分析框架之中。
业内人士认为,这类从“机制验证”走向“工程化应用”的衔接至关重要:一方面,需要将实验室条件下的信号识别方法迁移到更大规模、更低本底的深地实验环境中,进一步验证稳定性与可重复性;另一方面,也要在数据分析与模拟计算中引入更精细的物理模型与系统误差评估,使米格达尔效应在暗物质搜寻中的贡献能够被定量刻画、可被国际同行对比检验。
从更宏观的科研布局看,此次突破体现了多学科、多单位协同创新的合力。
相关研究由中国科学院大学牵头,广西大学承担核心探测器研发并提供测试与验证平台,华中师范大学、兰州大学、南京师范大学、烟台大学等单位协同攻关,并得到国家自然科学基金委创新研究群体项目、国家重点研发项目等支持。
随着基础研究与关键技术迭代持续推进,我国在稀有事件探测、低能信号读出与本底控制等方向的积累,有望在国际前沿竞争中进一步形成优势。
从理论预言到实验验证的83年等待,见证着科学探索的艰辛与执着。
中国科学家这次突破不仅解开了量子力学的一个历史心结,更在人类认识宇宙的宏伟蓝图上增添了关键拼图。
当基础研究的火炬照亮应用技术的道路时,我们或许正站在揭开暗物质神秘面纱的历史节点上。
这项研究启示我们:唯有坚守科学精神的火炬,才能在探索未知的征程中,一次次突破认知的边界。