中新網(wǎng)北京1月15日電 (記者 孫自法)作為21世紀物理天空中的“兩朵烏云”之一，暗物質(zhì)的探測研究一直是科學家們孜孜以求的目標。

　　中國科學家最近基于創(chuàng)新研發(fā)的超靈敏探測裝置，在國際上首次直接觀測到“米格達爾效應”事例，也首次證實了蘇聯(lián)物理學家阿爾卡季·米格達爾(Arkady Migdal)80多年前提出的量子力學理論預言，有望為暗物質(zhì)探測研究打開一扇重要窗口。

1月15日，在北京舉行的米格達爾效應學術(shù)研討會上，本項研究自主研發(fā)的超靈敏探測裝置在會場展示。中新網(wǎng)記者 孫自法 攝

　　這項基礎研究領域重大突破成果，由中國科學院大學(國科大)鄭陽恒、劉倩團隊領銜聯(lián)合廣西大學、華中師范大學等多所高校科研團隊共同完成，相關(guān)論文北京時間1月15日在國際知名學術(shù)期刊《自然》上線發(fā)表。研究團隊當天在北京舉行米格達爾效應學術(shù)研討會，圍繞最新發(fā)表成果的意義、應用和未來研究規(guī)劃展開研討交流。

　　為何選“米格達爾效應”

　　研究團隊介紹說，宇宙觀測中發(fā)現(xiàn)的很多奇異現(xiàn)象都表明，宇宙中隱藏了大量看不見的暗物質(zhì)，幾乎是宇宙物質(zhì)總量的85%。除了引力外，盡管暗物質(zhì)粒子直接探測器靈敏度不斷提高，但迄今仍未能發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)。

　　于是，學界也將部分目光轉(zhuǎn)向質(zhì)量更輕的暗物質(zhì)，即質(zhì)量介于兆電子伏特(MeV)到千兆電子伏特(GeV)之間的暗物質(zhì)粒子的探測工作，其質(zhì)量區(qū)域的實驗探測還未受到太陽中微子等本底的嚴重干擾，仍有顯著的探索空間。

　　然而，輕暗物質(zhì)與普通物質(zhì)的相互作用極其微弱，所產(chǎn)生的信號用常規(guī)探測手段難以捕捉?？茖W家們將破解這一困境的希望寄托在“米格達爾效應”上。這一量子力學效應由米格達爾于1939年提出，預言當粒子與原子核發(fā)生碰撞時，原子核在反沖過程中會將部分能量轉(zhuǎn)移給原子核外電子，使電子有概率獲得足夠能量脫離原子束縛。這一過程可將原本“不可探測的低能量信號”轉(zhuǎn)化為“可捕捉的電子信號”。

　　“米格達爾效應”可以是突破輕暗物質(zhì)探測閾值瓶頸的重要路徑之一。不過，自理論預言提出后的80多年間，中性粒子碰撞過程中的“米格達爾效應”是否存在，一直未被發(fā)現(xiàn)或證實，這使得依賴該效應的暗物質(zhì)探測實驗，始終面臨“理論假設缺乏實證支撐”的質(zhì)疑。

　　研發(fā)出超靈敏探測裝置

　　在本項研究中，中國科學家團隊自主研發(fā)出“微結(jié)構(gòu)氣體探測器+像素讀出芯片”組合的超靈敏探測裝置，相當于可拍攝“單原子運動中釋放電子過程”的“照相機”。利用緊湊型氘-氘聚變反應加速器中子源，轟擊“照相機”內(nèi)的氣體分子，會同時產(chǎn)生原子核反沖與米格達爾電子，二者形成“共頂點”的獨特軌跡。

　　通過分析這一特征，研究團隊成功將“米格達爾事件”從伽馬射線、宇宙射線等背景干擾中區(qū)分開來，利用量子力學預言的“米格達爾效應”由此獲首次直接證實。

本項研究的探測器結(jié)構(gòu)與工作原理(左上)、實驗裝置與布局(左下)、實驗中發(fā)現(xiàn)的“米格達爾效應”事例展示。國科大 供圖

　　經(jīng)過約150小時的數(shù)據(jù)采集，研究團隊從81.7萬個候選事件中，精準篩選出6個符合“米格達爾效應”特征的“米格達爾事例”。

　　數(shù)據(jù)分析證實，這6個“米格達爾事例”的統(tǒng)計顯著性超過5個標準差，這是粒子物理領域判定實驗發(fā)現(xiàn)的黃金標準，意味著觀測結(jié)果由偶然因素導致的概率低于千萬分之一，徹底打消了學界對中性粒子碰撞中“米格達爾效應”存在的質(zhì)疑。

　　助力未來輕暗物質(zhì)探測

　　研究團隊認為，這6個“米格達爾事例”信號的發(fā)現(xiàn)與確認，不僅證實了“米格達爾效應”的存在，更像一把“校準標尺”，為未來輕暗物質(zhì)探測實驗提供了關(guān)鍵依據(jù)。

1月15日，在北京舉行的米格達爾效應學術(shù)研討會上，國科大鄭陽恒教授(左)、劉倩教授合影。中新網(wǎng)記者 孫自法 攝

　　論文共同第一作者和共同通訊作者劉倩教授透露，未來，研究團隊計劃進一步優(yōu)化探測器的性能，拓展對不同元素的“米格達爾效應”的觀測，為更輕質(zhì)量的暗物質(zhì)粒子探測提供數(shù)據(jù)支持。

　　此前，依賴“米格達爾效應”的暗物質(zhì)實驗，只能基于理論模型估算信號強度，而此次發(fā)表的實測數(shù)據(jù)，可直接用于優(yōu)化探測器設計、提升信號識別精度。因此，國際主流暗物質(zhì)探測項目未來可結(jié)合中國科學家的研究結(jié)果調(diào)整分析策略，探測靈敏度或能再進一步提升。

　　論文共同通訊作者鄭陽恒教授指出，研究團隊還將與暗物質(zhì)探測實驗團隊合作，將此次實驗結(jié)果融入下一代探測器的研發(fā)中。“暗物質(zhì)是理解宇宙起源與演化的關(guān)鍵，我們的工作讓人類在這場‘宇宙尋寶游戲’中，又靠近了目標一步”。

　　國科大表示，本項研究團隊核心成員有多位該校培養(yǎng)的博士研究生，有的同學在本科階段就加入團隊，在老師指導下深度參與本項前沿科研工作，這反映出國科大拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式在助力青年學子成長成才方面的特色。(完)