中國科學(xué)院大學(xué)聯(lián)合國內(nèi)多所高?？蒲袌F隊，于近期在暗物質(zhì)探測領(lǐng)域取得一項重大突破。該團隊首次直接觀測到米格達爾效應(yīng)，這一成果已于2026年1月15日發(fā)表在國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》上。

據(jù)了解，參與此項研究的高校包括廣西大學(xué)、華中師范大學(xué)、蘭州大學(xué)、南京師范大學(xué)、煙臺大學(xué)等。

米格達爾效應(yīng)的直接觀測，標(biāo)志著我國在探索暗物質(zhì)這一宇宙謎團方面邁出了關(guān)鍵一步。暗物質(zhì)是宇宙中一種看不見、摸不著的物質(zhì)，占據(jù)了宇宙質(zhì)量的絕大部分，但我們對其性質(zhì)和組成知之甚少。直接探測暗物質(zhì)，是當(dāng)前物理學(xué)界的重要研究方向之一。

此項研究的重要意義在于，它為輕質(zhì)量暗物質(zhì)（質(zhì)量低于幾GeV）的直接探測提供了一種全新的路徑。傳統(tǒng)的暗物質(zhì)探測方法對于輕質(zhì)量暗物質(zhì)的探測效果有限，而利用米格達爾效應(yīng)，可以更加有效地捕捉到輕質(zhì)量暗物質(zhì)與普通物質(zhì)相互作用時產(chǎn)生的信號。

米格達爾效應(yīng)：理論預(yù)言與實驗驗證的跨越

米格達爾效應(yīng)，由蘇聯(lián)物理學(xué)家阿爾卡季·米格達爾于1939年提出，是原子核物理學(xué)中的一個重要概念。其核心機制描述了這樣一種現(xiàn)象：當(dāng)原子核由于外部能量的作用而加速運動時，例如受到暗物質(zhì)粒子的碰撞，反沖過程中產(chǎn)生的內(nèi)部電場變化會將一部分能量傳遞給核外電子。

這種能量轉(zhuǎn)移足以使電子掙脫原子核的束縛，從而形成兩條在同一點開始的帶電粒子徑跡，即所謂的“共頂點”。

具體來說，米格達爾效應(yīng)的發(fā)生需要以下條件：

首先，原子核必須受到足夠大的能量沖擊，例如來自暗物質(zhì)粒子的碰撞。

其次，原子核在碰撞后的反沖運動會引起原子內(nèi)部電場的快速變化。

最后，這種電場變化能夠?qū)⒉糠帜芰總鬟f給核外電子，使其獲得足夠的動能脫離原子束縛。脫離束縛的電子與反沖的原子核將各自形成一條帶電徑跡，而這兩條徑跡由于都源于同一個原子，因此理論上會在同一點起始，形成“共頂點”的特征。

米格達爾效應(yīng)的提出，為探測暗物質(zhì)提供了一種潛在的途徑。因為暗物質(zhì)與普通物質(zhì)的相互作用極其微弱，傳統(tǒng)的探測手段難以奏效。然而，如果暗物質(zhì)粒子能夠與原子核發(fā)生碰撞，并引發(fā)米格達爾效應(yīng)，那么通過探測共頂點的帶電徑跡，就有可能間接推斷出暗物質(zhì)粒子的存在。

然而，盡管米格達爾效應(yīng)在理論上被廣泛討論，并在暗物質(zhì)探測領(lǐng)域扮演著重要角色，但自其提出以來，長達80余年的時間里，中性粒子碰撞過程中米格達爾效應(yīng)的實驗驗證卻始終面臨挑戰(zhàn)。

這使得依賴該效應(yīng)的暗物質(zhì)探測，長期以來都受到“理論假設(shè)缺乏實證支撐”的質(zhì)疑。理論的提出與實驗的驗證之間存在巨大的鴻溝，限制了米格達爾效應(yīng)在實際應(yīng)用中的價值。

米格達爾效應(yīng)進行實驗驗證的困難

首先，暗物質(zhì)粒子與普通物質(zhì)的相互作用極其微弱，發(fā)生碰撞的概率極低。其次，即使發(fā)生了碰撞，米格達爾效應(yīng)本身也是一個相對罕見的現(xiàn)象。這使得探測到米格達爾效應(yīng)產(chǎn)生的共頂點徑跡變得非常困難。

盡管面臨諸多挑戰(zhàn)，科學(xué)家們一直沒有放棄對米格達爾效應(yīng)的實驗驗證。隨著探測技術(shù)的不斷進步，以及新一代暗物質(zhì)探測實驗的開展，我們有理由相信，米格達爾效應(yīng)最終會被實驗證實，從而為暗物質(zhì)探測以及原子核物理學(xué)的發(fā)展做出更大的貢獻。米格達爾效應(yīng)從理論預(yù)言到實驗驗證的跨越，將是一項具有里程碑意義的成就。

實驗突破：超靈敏探測裝置與暗物質(zhì)探索的關(guān)鍵技術(shù)

近年來，粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)領(lǐng)域?qū)Π滴镔|(zhì)的探索持續(xù)升溫。探測暗物質(zhì)與普通物質(zhì)之間微弱的相互作用，是揭示暗物質(zhì)本質(zhì)的關(guān)鍵。

近期，一個科研團隊自主研發(fā)了一種“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，并在實驗中取得了重要突破。該裝置具有極高的靈敏度，如同“拍攝單原子運動中釋放電子過程的照相機”。

該實驗的核心是模擬暗物質(zhì)與原子核的碰撞過程。研究團隊利用緊湊型氘—氘聚變反應(yīng)加速器中子源，以中子轟擊氣體分子。理論上，如果暗物質(zhì)與原子核發(fā)生碰撞，會產(chǎn)生原子核反沖，并伴隨米格達爾電子的產(chǎn)生。這兩種粒子同時產(chǎn)生，形成具有“共頂點”的獨特軌跡，為實驗提供關(guān)鍵信號。

實驗的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于從復(fù)雜的背景干擾中提取米格達爾事件的信號。自然界中存在大量伽馬射線和宇宙射線，它們也會在探測器中產(chǎn)生類似信號。為此，研究團隊巧妙利用米格達爾事件的獨特軌跡特征，通過精確分析軌跡的頂點位置、角度和能量等信息，成功地將米格達爾事件從背景干擾中區(qū)分出來。

通過對大量實驗數(shù)據(jù)的分析，研究團隊首次直接證實了米格達爾效應(yīng)的存在。這一突破性成果不僅驗證了米格達爾效應(yīng)的理論預(yù)測，也為尋找暗物質(zhì)提供了一種新的實驗手段。這種超靈敏探測裝置及其關(guān)鍵技術(shù)，有望在未來的暗物質(zhì)探測實驗中發(fā)揮重要作用，幫助科學(xué)家們更深入地了解宇宙的奧秘。未來，隨著技術(shù)的不斷完善和實驗的不斷深入，我們期待該團隊能在暗物質(zhì)探測領(lǐng)域取得更多突破性的進展。

科學(xué)意義——為輕暗物質(zhì)探測打開新窗口

當(dāng)前主流暗物質(zhì)探測實驗，例如WIMP探測，其核反沖能量閾值通常在千電子伏特（keV）量級。然而，對于質(zhì)量低于幾個十億電子伏特（GeV）的輕暗物質(zhì)粒子而言，其引起的核反沖能量極其微弱，難以被現(xiàn)有技術(shù)有效探測。

米格達爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)為突破這一瓶頸提供了新的可能性。該效應(yīng)的核心在于能量轉(zhuǎn)移機制：它能夠?qū)⒉糠趾朔礇_能量轉(zhuǎn)化為電子電離能，從而使電子能量顯著高于原始的核反沖能量，有效降低了探測的能量閾值。

更為重要的是，米格達爾電子產(chǎn)生的電離信號能夠被現(xiàn)有探測器捕捉，為輕暗物質(zhì)的探測提供了一條可行的技術(shù)路徑，即通過增強信號來提高探測靈敏度。

這項研究不僅填補了長期以來實驗驗證米格達爾效應(yīng)的空白，進一步鞏固了該效應(yīng)的理論基礎(chǔ)。更重要的是，它為未來利用米格達爾效應(yīng)進行輕質(zhì)量暗物質(zhì)探測的應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)，開啟了輕暗物質(zhì)探測的新窗口。

技術(shù)能力體現(xiàn)與未來展望

本次實驗充分體現(xiàn)了我國在高品質(zhì)氣體探測技術(shù)領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力。探測裝置的靈敏度與分辨率已達到國際領(lǐng)先水平，這不僅證明了我國在該領(lǐng)域的技術(shù)實力，也為未來的科研突破奠定了堅實基礎(chǔ)。

該研究由中國科學(xué)院大學(xué)牽頭，聯(lián)合多所高校協(xié)同攻關(guān)，整合了粒子物理、探測器技術(shù)、數(shù)據(jù)分析等多領(lǐng)域優(yōu)勢。這種跨學(xué)科合作模式為未來大型科學(xué)工程提供了寶貴的合作范式，展現(xiàn)了我國科研力量的強大整合能力。

科研團隊計劃將本次實驗結(jié)果融入下一代探測器的設(shè)計中，通過優(yōu)化探測器結(jié)構(gòu)與信號處理算法，進一步提升對輕暗物質(zhì)的探測效率。

正如項目骨干成員鄭陽恒教授所言：“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(biāo)一步?！?這預(yù)示著我國在暗物質(zhì)探測領(lǐng)域?qū)⒊掷m(xù)發(fā)力，為揭示宇宙奧秘做出更大的貢獻。