2026年1月,《自然》雜志刊登了一項(xiàng)讓全球物理學(xué)界震動(dòng)的成果。

中國科學(xué)院大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì),成功捕獲了"米格達(dá)爾效應(yīng)"的全球首個(gè)直接證據(jù)。這個(gè)被全世界物理學(xué)家追尋了85年的效應(yīng),最終被中國人抓住了。

消息傳出后,加州大學(xué)河濱分校的于海波教授直言不諱:"幾個(gè)國際頂尖團(tuán)隊(duì)都試過,都失敗了。中國團(tuán)隊(duì)這次是真正的突破。"

這不是客氣話,這是事實(shí)。85年來,歐美日多個(gè)頂級(jí)實(shí)驗(yàn)室都曾試圖捕捉這個(gè)效應(yīng),全部鎩羽而歸。中國科學(xué)家做到了別人做不到的事。

而這個(gè)突破的意義,遠(yuǎn)不止證實(shí)一個(gè)物理效應(yīng)那么簡單。它為探測宇宙中占比85%的暗物質(zhì),打開了一扇中國人開啟的大門。

全球頂尖團(tuán)隊(duì)都敗了,中國科學(xué)家贏了

米格達(dá)爾效應(yīng)是什么?

1939年,蘇聯(lián)物理學(xué)家米格達(dá)爾提出:當(dāng)原子核被粒子撞擊后猛烈反沖,可能會(huì)把一個(gè)軌道電子直接"踢"出去。這個(gè)預(yù)言很清楚,但要在實(shí)驗(yàn)室里真正看到它,難如登天。

難在哪?這個(gè)效應(yīng)發(fā)生的概率極低,信號(hào)極其微弱,很容易被宇宙射線和自然輻射的背景噪聲完全淹沒。你要在一座體育場的喧囂中,聽到一根針掉地的聲音。

過去幾十年,歐洲、美國、日本的多個(gè)頂級(jí)實(shí)驗(yàn)室都嘗試過捕捉這個(gè)效應(yīng)。他們有資金,有設(shè)備,有經(jīng)驗(yàn),但全都失敗了。

直到中國科學(xué)家出手。

中國科學(xué)院大學(xué)的團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國內(nèi)多所高校,用了完全不同的技術(shù)路線。他們設(shè)計(jì)制造了一臺(tái)集成定制微芯片的高精度氣體探測器,靈敏度達(dá)到了可以追蹤單個(gè)原子運(yùn)動(dòng)軌跡的程度。

這臺(tái)"中國造"的原子相機(jī),做到了全世界其他設(shè)備做不到的事。

實(shí)驗(yàn)開始后,團(tuán)隊(duì)用中子轟擊探測器中的氣體分子,在海量數(shù)據(jù)中尋找特征信號(hào)。分析了超過80萬個(gè)候選事件后,他們找到了6個(gè)完美符合米格達(dá)爾效應(yīng)所有特征的信號(hào)。

統(tǒng)計(jì)置信度:5西格瑪。這是粒子物理學(xué)宣布重大發(fā)現(xiàn)的金標(biāo)準(zhǔn)。

85年世界難題,中國人用6個(gè)金信號(hào)給出了答案。

暗物質(zhì)搜尋,中國從跟跑到領(lǐng)跑

這個(gè)發(fā)現(xiàn)為什么重要?因?yàn)樗苯雨P(guān)系到暗物質(zhì)探測。

宇宙中85%的物質(zhì)是暗物質(zhì),這個(gè)結(jié)論天文學(xué)界已經(jīng)確認(rèn)幾十年了。但暗物質(zhì)到底是什么?沒人知道。

過去幾十年,全世界的物理學(xué)家把賭注押在"大質(zhì)量粒子"上,建了幾十個(gè)大型地下探測器苦苦搜尋。結(jié)果呢?什么都沒找到。

科學(xué)界開始轉(zhuǎn)向:暗物質(zhì)可能是質(zhì)量很輕的粒子。但這帶來了新問題——輕粒子撞擊原子產(chǎn)生的反沖太微弱,傳統(tǒng)探測器根本看不見。

全世界的暗物質(zhì)搜尋都卡在這里了。

米格達(dá)爾效應(yīng)就是破局的鑰匙。

中國科學(xué)院大學(xué)的鄭陽恒教授解釋:"有了米格達(dá)爾效應(yīng),電子被彈出后,我們的探測器可以捕獲它100%的能量。這把原本探測不到的微弱反沖,放大成了可測量的信號(hào)。"

這相當(dāng)于給探測器裝了一個(gè)天然的信號(hào)放大器。原本看不見的輕質(zhì)暗物質(zhì)粒子,現(xiàn)在有可能被看見了。

"這是將米格達(dá)爾效應(yīng)應(yīng)用于輕質(zhì)暗物質(zhì)搜尋的關(guān)鍵第一步,"上海交大的劉江來教授說。劉江來是PandaX暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)的首席科學(xué)家,PandaX是中國自主建設(shè)的世界領(lǐng)先暗物質(zhì)探測器。

值得一提的是,PandaX實(shí)驗(yàn)室設(shè)在四川錦屏山地下2400米處,那是全世界最深的地下實(shí)驗(yàn)室。中國在暗物質(zhì)探測領(lǐng)域的硬件設(shè)施,已經(jīng)是世界第一梯隊(duì)。

現(xiàn)在,米格達(dá)爾效應(yīng)的首次證實(shí),讓中國在技術(shù)路線上也走到了前面。

中國造的"原子相機(jī)"有多厲害

這臺(tái)讓中國科學(xué)家拿下世界難題的設(shè)備,到底有多厲害?

它的核心是一個(gè)氣體像素探測器,集成了團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)的定制微芯片。探測器內(nèi)部充滿氣體分子,微芯片上布滿了密集的像素陣列,每個(gè)像素都能精確記錄粒子經(jīng)過時(shí)的電離信號(hào)。

通過分析這些信號(hào)的時(shí)間、位置、能量,可以完整重建粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。就像一臺(tái)每秒拍攝幾百萬幀的超高速相機(jī),能捕捉到粒子運(yùn)動(dòng)的每一個(gè)細(xì)節(jié)。

這臺(tái)設(shè)備的靈敏度達(dá)到了什么程度?它能追蹤單個(gè)原子的運(yùn)動(dòng),能看清一個(gè)被彈出的電子往哪個(gè)方向飛,能分辨出兩條徑跡是否從完全相同的點(diǎn)出發(fā)。

這種精度,是歐美日之前的實(shí)驗(yàn)都達(dá)不到的。

更重要的是,這套技術(shù)完全是中國自主研發(fā)。從探測器設(shè)計(jì)、微芯片制造,到數(shù)據(jù)分析算法,全都是中國科學(xué)家自己做的。

在80萬個(gè)候選事件中找到那6個(gè)真實(shí)信號(hào),靠的不只是設(shè)備,還有數(shù)據(jù)分析能力。團(tuán)隊(duì)開發(fā)了專門的算法,能在海量背景噪聲中精確識(shí)別出米格達(dá)爾效應(yīng)的特征。

這套技術(shù),現(xiàn)在領(lǐng)先全球。

下一步:繼續(xù)領(lǐng)跑

證實(shí)米格達(dá)爾效應(yīng)只是第一步,中國科學(xué)家已經(jīng)在規(guī)劃下一步了。

中國科學(xué)院大學(xué)的劉倩教授說:"我們會(huì)優(yōu)化探測器性能,把米格達(dá)爾效應(yīng)的觀測擴(kuò)展到其他元素。這將為搜尋更輕的暗物質(zhì)粒子提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。"

為什么要研究不同元素?因?yàn)閷?duì)于不同質(zhì)量范圍的暗物質(zhì)粒子,不同元素的探測靈敏度不一樣。系統(tǒng)地研究米格達(dá)爾效應(yīng)在各種元素中的表現(xiàn),可以為設(shè)計(jì)下一代探測器提供科學(xué)依據(jù)。

這相當(dāng)于中國科學(xué)家在為全球的暗物質(zhì)探測繪制一張技術(shù)路線圖。

更重要的是,利用米格達(dá)爾效應(yīng),中國科學(xué)家有望探測到質(zhì)量低至0.1 GeV甚至更輕的暗物質(zhì)粒子。傳統(tǒng)探測器對(duì)這個(gè)質(zhì)量范圍幾乎無能為力,但中國的新技術(shù)可以做到。

這意味著中國在暗物質(zhì)探測的下一個(gè)戰(zhàn)場上,已經(jīng)搶占了先機(jī)。

從跟跑到領(lǐng)跑的中國物理學(xué)

這個(gè)成果背后,是中國物理學(xué)實(shí)力的整體提升。

錦屏地下實(shí)驗(yàn)室,世界最深,為低本底實(shí)驗(yàn)提供了最理想的環(huán)境。PandaX探測器,世界領(lǐng)先,積累了大量暗物質(zhì)探測的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。中國科學(xué)院大學(xué)、上海交大等高校,培養(yǎng)了一批世界一流的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家。

更重要的是,中國科學(xué)家敢于走自己的技術(shù)路線。

米格達(dá)爾效應(yīng)的探測,歐美日用的是傳統(tǒng)的固體探測器路線,結(jié)果全都失敗了。中國科學(xué)家另辟蹊徑,用氣體探測器加定制微芯片的方案,成功了。

這種創(chuàng)新能力,才是中國科學(xué)真正的底氣。

85年前,米格達(dá)爾在蘇聯(lián)提出這個(gè)效應(yīng)時(shí),中國的物理學(xué)還在起步階段。85年后,是中國科學(xué)家證實(shí)了它。

這不是偶然,這是中國科學(xué)實(shí)力積累到一定程度后的必然結(jié)果。

宇宙85%的秘密,中國人要解開

暗物質(zhì)占宇宙物質(zhì)總量的85%,但人類對(duì)它幾乎一無所知。

幾十年來,歐美主導(dǎo)了暗物質(zhì)搜尋。他們建大型探測器,他們定理論方向,他們發(fā)論文。中國一直在跟跑。

但現(xiàn)在,局面變了。

米格達(dá)爾效應(yīng)的首次證實(shí),讓中國在輕質(zhì)暗物質(zhì)探測這條新賽道上,走到了最前面。下一代探測器的技術(shù)路線,可能由中國科學(xué)家來定義。

如果未來某一天,暗物質(zhì)粒子真的在實(shí)驗(yàn)室里被捕獲,那個(gè)實(shí)驗(yàn)室很可能在中國,那篇論文的第一作者很可能是中國人。

這不是幻想,這是完全有可能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

從跟跑到并跑,從并跑到領(lǐng)跑,中國科學(xué)家用實(shí)力證明:在探索宇宙奧秘這件事上,中國人不比任何人差。

85年世界難題,中國人解決了。宇宙85%的秘密,中國人也會(huì)參與解開。

這就是2026年這個(gè)《自然》封面論文的真正意義。它不只是一個(gè)物理發(fā)現(xiàn),它是中國科學(xué)崛起的又一個(gè)里程碑。

參考

Difan Yi et al, Direct observation of the Migdal effect induced by neutron bombardment, Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-025-09918-8