近日，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“國(guó)科大”）領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Nature上發(fā)表了一項(xiàng)具有里程碑意義的研究成果：他們利用自主研發(fā)的高精度氣體探測(cè)裝置，在全球范圍內(nèi)首次于核散射實(shí)驗(yàn)中直接觀測(cè)到 87 年前由蘇聯(lián)物理學(xué)家阿爾卡季·米格達(dá)爾（Arkady Migdal）提出的“米格達(dá)爾效應(yīng)”（Migdal Effect）。這一突破為輕質(zhì)量暗物質(zhì)的直接探測(cè)提供了關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

圖 | 團(tuán)隊(duì)論文“通過中子轟擊誘發(fā)的米格達(dá)爾效應(yīng)的直接觀測(cè)”（來源：Nature）

暗物質(zhì)與暗能量被公認(rèn)為 21 世紀(jì)物理學(xué)最重大的未解之謎，其探索有望徹底重塑人類對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)知。然而，輕質(zhì)量暗物質(zhì)粒子與原子核發(fā)生碰撞時(shí)所產(chǎn)生的核反沖信號(hào)極其微弱，通常低于現(xiàn)有探測(cè)器的能量閾值，使得科學(xué)家長(zhǎng)期以來難以捕捉其蹤跡。而米格達(dá)爾效應(yīng)，正是破解這一難題的關(guān)鍵機(jī)制。

1939 年，阿爾卡季·米格達(dá)爾提出：當(dāng)中性粒子（無論是暗物質(zhì)粒子還是中子）撞擊原子核時(shí)，原子核會(huì)因碰撞而突然加速并反沖，但外圍電子云由于慣性無法即時(shí)跟隨這一運(yùn)動(dòng)。這種“滯后”導(dǎo)致原子內(nèi)部電場(chǎng)發(fā)生劇烈擾動(dòng)，從而有一定概率將電子激發(fā)甚至電離。這些被釋放出的電子雖然能量不高，卻足以被現(xiàn)代探測(cè)器識(shí)別，形成可測(cè)量的信號(hào)。

換句話說，米格達(dá)爾效應(yīng)相當(dāng)于一個(gè)天然的“信號(hào)放大器”，能將原本難以探測(cè)的微弱核反沖轉(zhuǎn)化為清晰的電子信號(hào)，從而打開通往輕暗物質(zhì)探測(cè)的大門。

盡管該效應(yīng)早在 2005 年就被引入暗物質(zhì)直接探測(cè)的理論框架，并在 2018 年由日本物理學(xué)家 Masahiro Ibe 等人系統(tǒng)性地重新闡釋，此后包括美國(guó) DarkSide、法國(guó) EDELWEISS 在內(nèi)的多個(gè)國(guó)際實(shí)驗(yàn)也聲稱借助該效應(yīng)拓展了對(duì)亞 GeV 量級(jí)暗物質(zhì)的探測(cè)能力，但一個(gè)問題始終懸而未決：米格達(dá)爾效應(yīng)本身從未在中性粒子引發(fā)的核散射過程中被直接觀測(cè)到。

過去，它僅在放射性衰變（如 α 或 β 衰變）中通過“電子震脫”（electron shakeoff）現(xiàn)象獲得間接驗(yàn)證。這種缺乏直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)的狀態(tài)，使得所有依賴米格達(dá)爾效應(yīng)推導(dǎo)出的暗物質(zhì)限制和結(jié)論長(zhǎng)期面臨質(zhì)疑——如果該效應(yīng)并不存在，或其發(fā)生概率與理論預(yù)測(cè)存在顯著偏差，那么過去十余年全球暗物質(zhì)研究的諸多成果或?qū)⑿枰貙懀踔帘粡氐淄品?/p>

正因如此，國(guó)科大團(tuán)隊(duì)此次在受控核散射實(shí)驗(yàn)中對(duì)米格達(dá)爾效應(yīng)的直接觀測(cè)，不僅填補(bǔ)了關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)空白，更夯實(shí)了當(dāng)前暗物質(zhì)探測(cè)理論的基石。

圖 | 實(shí)驗(yàn)裝置及其布局（來源：論文）

在攻克這一難題的過程中，國(guó)科大科研團(tuán)隊(duì)面臨了嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。米格達(dá)爾效應(yīng)是一種極其罕見的量子過程，其信號(hào)極為微弱，極易被環(huán)境中大量本底噪聲（如伽馬射線、宇宙射線及康普頓散射等）所掩蓋。要在海量數(shù)據(jù)中精準(zhǔn)捕捉這一轉(zhuǎn)瞬即逝的信號(hào)，對(duì)探測(cè)器的靈敏度、空間分辨能力以及背景抑制性能提出了近乎極限的要求。

為此，團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了一套基于“微結(jié)構(gòu)氣體探測(cè)器（GMCP）＋像素讀出芯片”組合的超靈敏探測(cè)裝置。該裝置的核心是一塊名為 Topmetal-II 的像素讀出芯片，其像素尺寸僅為 83 微米，具有極低的等效噪聲電荷（約 13.9 個(gè)電子）。這種高精度的讀出技術(shù)使得探測(cè)器能夠像一臺(tái)高速、高分辨率的三維相機(jī)，清晰地記錄下帶電粒子在氣體中運(yùn)動(dòng)的完整徑跡。

圖 | 探測(cè)器機(jī)構(gòu)及其工作原理（來源：論文）

實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)使用緊湊型氘－氘（D-D）中子發(fā)生器產(chǎn)生能量為 2.5 MeV 的中子束，轟擊探測(cè)器內(nèi)填充的 40% 氦氣與 60% 二甲醚（DME）混合氣體。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于識(shí)別一種獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：當(dāng)中子與氣體原子核發(fā)生碰撞并觸發(fā)米格達(dá)爾效應(yīng)時(shí)，探測(cè)器應(yīng)同時(shí)記錄到兩條從同一頂點(diǎn)出發(fā)的徑跡——一條較短的原子核反沖徑跡和一條由米格達(dá)爾電子產(chǎn)生的徑跡。相比之下，絕大多數(shù)背景事件（如單純的電子反沖或核反沖）通常只產(chǎn)生單條徑跡，或雖有多條徑跡但不具備“共頂點(diǎn)”特征。

圖 | 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的米格達(dá)爾效應(yīng)（來源：論文）

在兩個(gè)階段共計(jì)約 150 小時(shí)的運(yùn)行中，團(tuán)隊(duì)采集了超過 81.7 萬個(gè)觸發(fā)事例。為從中甄別出真實(shí)的米格達(dá)爾事件，他們開發(fā)了一套嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)分析流程：首先利用深度學(xué)習(xí)算法對(duì)徑跡圖像進(jìn)行初步分類，剔除明顯背景；隨后依據(jù)嚴(yán)格的拓?fù)鋵W(xué)判據(jù)，篩選出具有“共頂點(diǎn)”結(jié)構(gòu)的雙徑跡事件；最后，通過分析徑跡的能量沉積密度和幾何形態(tài)（如圓度等），進(jìn)一步區(qū)分電子徑跡與核反沖徑跡。

經(jīng)過層層篩選，團(tuán)隊(duì)最終鎖定了6個(gè)高度可信的候選事例。這些事例清晰呈現(xiàn)出原子核反沖與米格達(dá)爾電子從同一點(diǎn)發(fā)出的特征，其運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)與理論預(yù)測(cè)高度吻合。統(tǒng)計(jì)分析顯示，該觀測(cè)結(jié)果的顯著性超過5 倍標(biāo)準(zhǔn)差（5σ）——在粒子物理學(xué)中，這被視為確認(rèn)新現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)的黃金標(biāo)準(zhǔn)，意味著信號(hào)由背景漲落偶然產(chǎn)生的概率低于三百五十萬分之一。米格達(dá)爾效應(yīng)的存在，由此得到確鑿證實(shí)。

更為重要的是，團(tuán)隊(duì)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)該效應(yīng)的定性觀測(cè)，還首次對(duì)其發(fā)生概率進(jìn)行了定量測(cè)量。在核反沖能量大于 35 keVee、對(duì)應(yīng)米格達(dá)爾電子能量介于 5 至 10 keV 的區(qū)間內(nèi)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的米格達(dá)爾效應(yīng)截面與原子核彈性散射截面之比為 (4.9+2.6/-1.9)×10??。這一結(jié)果與當(dāng)前最先進(jìn)理論模型的預(yù)測(cè)在誤差范圍內(nèi)高度一致。

該一致性不僅驗(yàn)證了米格達(dá)爾原始理論的正確性，也表明現(xiàn)有理論在處理多電子原子體系在非絕熱擾動(dòng)下的響應(yīng)行為時(shí)具備足夠的可靠性。這一成果為未來暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)，尤其是依賴米格達(dá)爾效應(yīng)搜尋輕質(zhì)量暗物質(zhì)的研究，提供了堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)和關(guān)鍵的校準(zhǔn)依據(jù)。

錦屏 CDEX 暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)負(fù)責(zé)人岳騫教授對(duì)此評(píng)價(jià)稱，該成果不僅填補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證米格達(dá)爾效應(yīng)的長(zhǎng)期空白，鞏固了相關(guān)理論基礎(chǔ)，更充分體現(xiàn)了國(guó)內(nèi)高品質(zhì)氣體探測(cè)技術(shù)的能力，為輕質(zhì)量暗物質(zhì)探測(cè)的應(yīng)用邁出了堅(jiān)實(shí)的第一步。

國(guó)科大物理科學(xué)學(xué)院教授、研究團(tuán)隊(duì)成員鄭陽(yáng)恒表示，未來，他們工作重點(diǎn)將是把這一實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的成果與具體的暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。目前，團(tuán)隊(duì)正計(jì)劃與國(guó)內(nèi)外的暗物質(zhì)探測(cè)團(tuán)隊(duì)展開合作，將米格達(dá)爾效應(yīng)的精確測(cè)量參數(shù)融入下一代探測(cè)器的研發(fā)與數(shù)據(jù)分析中。這將有助于更準(zhǔn)確地評(píng)估探測(cè)器的靈敏度，并可能通過優(yōu)化探測(cè)介質(zhì)和讀出策略，進(jìn)一步提升對(duì)特定質(zhì)量區(qū)間暗物質(zhì)粒子的捕獲能力。