探測器結(jié)構(gòu)與工作原理

實驗裝置與布局

實驗中發(fā)現(xiàn)的米格達爾效應(yīng)事例展示

近日，由中國科學院大學主導的聯(lián)合科研團隊首次直接觀測到米格達爾（Migdal）效應(yīng)，相關(guān)成果于1月15日發(fā)表在《自然》正刊。該研究不僅展現(xiàn)出我國高品質(zhì)氣體探測技術(shù)的卓越水平，更為輕質(zhì)量暗物質(zhì)探測突破閾值瓶頸提供關(guān)鍵支撐。

暗物質(zhì)與暗能量被視作本世紀物理領(lǐng)域的重大謎題，其探索將推動人類對物質(zhì)世界的革命性認知。但輕質(zhì)量暗物質(zhì)與普通物質(zhì)的相互作用極弱，常規(guī)探測手段難以捕捉其信號。科學家們將破解這一困境的希望寄托在“米格達爾效應(yīng)”上。

該理論由蘇聯(lián)著名物理學家阿爾卡季?米格達爾于1939年首次提出：當原子核受到撞擊后，會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，形成帶共同頂點的兩條帶電徑跡。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”。

然而，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(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。

在該項目中，科研團隊自主研發(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(yīng)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，莊閑和app團隊成功地將這種“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，首次直接證實了1939年利用量子力學預言的米格達爾效應(yīng)。

研究團隊通過數(shù)據(jù)采集，從81.7萬個候選事件中，精準篩選出6個“米格達爾事例”，統(tǒng)計顯著性超5個標準差，符合粒子物理領(lǐng)域“發(fā)現(xiàn)”的黃金標準，徹底打消了學界對中性粒子碰撞中米格達爾效應(yīng)存在的質(zhì)疑。

此次實測數(shù)據(jù)可直接用于優(yōu)化探測器設(shè)計、提升信號識別精度，為米格達爾效應(yīng)的深入研究與廣泛應(yīng)用打開了全新窗口。中國科學院大學教授劉倩介紹，未來團隊計劃進一步優(yōu)化探測器的性能，拓展對不同元素的米格達爾效應(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。

據(jù)悉，此次研究工作由中國科學院大學牽頭，廣西大學、華中師范大學、蘭州大學、南京師范大學及煙臺大學共同協(xié)作完成，展現(xiàn)了我國在前沿基礎(chǔ)科學研究與高端探測器研發(fā)方面的協(xié)同創(chuàng)新能力，是多方聚力的典范。

中國科學院大學教授鄭陽恒表示，團隊后續(xù)還將與暗物質(zhì)探測實驗團隊合作，把此次成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。”（光明日報全媒體記者崔興毅 通訊員楊佳璇）