記者從中國科學(xué)院大學(xué)獲悉，近日，該校科研團(tuán)隊與多所高校聯(lián)合，首次直接觀測到量子力學(xué)預(yù)言的米格達(dá)爾（Migdal）效應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)為輕暗物質(zhì)探測突破閾值瓶頸提供了關(guān)鍵支撐。相關(guān)成果1月15日在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表。

探測器結(jié)構(gòu)與工作原理

米格達(dá)爾（Migdal）效應(yīng)是1939年蘇聯(lián)科學(xué)家Migdal通過量子力學(xué)計算，預(yù)言當(dāng)中性粒子與原子核碰撞時，反沖原子核將部分能量傳遞給核外電子。一個原子的原子核突然獲得能量（例如：α衰變，β衰變，中性粒子碰撞）加速運(yùn)動時，原子核在反沖過程中的內(nèi)部電場變化將部分能量轉(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，形成帶共同頂點的兩條帶電徑跡（核反沖徑跡和電子徑跡）。

實驗裝置與布局

進(jìn)入21世紀(jì)，科學(xué)家們逐漸意識到，Migdal效應(yīng)可以是突破輕暗物質(zhì)探測閾值瓶頸的重要路徑之一。自理論預(yù)言提出后的80多年間，中性粒子碰撞過程中的Migdal效應(yīng)是否存在，一直未被發(fā)現(xiàn)或證實，這使得依賴該效應(yīng)的暗物質(zhì)探測實驗，始終面臨“理論假設(shè)缺乏實證支撐”的質(zhì)疑。

實驗中發(fā)現(xiàn)的米格達(dá)爾效應(yīng)事例展示

本研究團(tuán)隊自主研發(fā)了“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(dāng)于可拍攝“單原子運(yùn)動中釋放電子過程”的“照相機(jī)”。利用緊湊型氘-氘聚變反應(yīng)加速器中子源，轟擊“照相機(jī)”內(nèi)的氣體分子，會同時產(chǎn)生原子核反沖與米格達(dá)爾電子，二者形成“共頂點”的獨特軌跡。通過分析這一特征，團(tuán)隊成功地將這種“Migdal事件”從伽馬射線、宇宙射線等背景干擾中區(qū)分開來。首次直接證實了1939年利用量子力學(xué)預(yù)言的Migdal效應(yīng)。

研究團(tuán)隊未來計劃進(jìn)一步優(yōu)化探測器的性能，拓展對不同元素的米格達(dá)爾效應(yīng)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。