中国科学家证实80多年前量子力学理论预言 助力暗物质探测研究
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中新网北京1月15日电 (记者 孙自法)作为21世纪物理天空中的“两朵乌云”之一，暗物质的探测研究一直是科学家们孜孜以求的目标。
中国科学家最近基于创新研发的超灵敏探测装置，在国际上首次直接观测到“米格达尔效应”事例，也首次证实了苏联物理学家阿尔卡季·米格达尔(Arkady Migdal)80多年前提出的量子力学理论预言，有望为暗物质探测研究打开一扇重要窗口。
1月15日，在北京举行的米格达尔效应学术研讨会上，本项研究自主研发的超灵敏探测装置在会场展示。中新网记者 孙自法 摄
这项基础研究领域重大突破成果，由中国科学院大学(国科大)郑阳恒、刘倩团队领衔联合广西大学、华中师范大学等多所高校科研团队共同完成，相关论文北京时间1月15日在国际知名学术期刊《自然》上线发表。研究团队当天在北京举行米格达尔效应学术研讨会，围绕最新发表成果的意义、应用和未来研究规划展开研讨交流。
为何选“米格达尔效应”
研究团队介绍说，宇宙观测中发现的很多奇异现象都表明，宇宙中隐藏了大量看不见的暗物质，几乎是宇宙物质总量的85%。除了引力外，尽管暗物质粒子直接探测器灵敏度不断提高，但迄今仍未能发现暗物质存在的直接证据。
于是，学界也将部分目光转向质量更轻的暗物质，即质量介于兆电子伏特(MeV)到千兆电子伏特(GeV)之间的暗物质粒子的探测工作，其质量区域的实验探测还未受到太阳中微子等本底的严重干扰，仍有显著的探索空间。
然而，轻暗物质与普通物质的相互作用极其微弱，所产生的信号用常规探测手段难以捕捉。科学家们将破解这一困境的希望寄托在“米格达尔效应”上。这一量子力学效应由米格达尔于1939年提出，预言当粒子与原子核发生碰撞时，原子核在反冲过程中会将部分能量转移给原子核外电子，使电子有概率获得足够能量脱离原子束缚。这一过程可将原本“不可探测的低能量信号”转化为“可捕捉的电子信号”。
“米格达尔效应”可以是突破轻暗物质探测阈值瓶颈的重要路径之一。不过，自理论预言提出后的80多年间，中性粒子碰撞过程中的“米格达尔效应”是否存在，一直未被发现或证实，这使得依赖该效应的暗物质探测实验，始终面临“理论假设缺乏实证支撑”的质疑。
研发出超灵敏探测装置
在本项研究中，中国科学家团队自主研发出“微结构气体探测器+像素读出芯片”组合的超灵敏探测装置，相当于可拍摄“单原子运动中释放电子过程”的“照相机”。利用紧凑型氘-氘聚变反应加速器中子源，轰击“照相机”内的气体分子，会同时产生原子核反冲与米格达尔电子，二者形成“共顶点”的独特轨迹。
通过分析这一特征，研究团队成功将“米格达尔事件”从伽马射线、宇宙射线等背景干扰中区分开来，利用量子力学预言的“米格达尔效应”由此获首次直接证实。
本项研究的探测器结构与工作原理(左上)、实验装置与布局(左下)、实验中发现的“米格达尔效应”事例展示。国科大 供图
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经过约150小时的数据采集，研究团队从81.7万个候选事件中，精准筛选出6个符合“米格达尔效应”特征的“米格达尔事例”。
数据分析证实，这6个“米格达尔事例”的统计显著性超过5个标准差，这是粒子物理领域判定实验发现的黄金标准，意味着观测结果由偶然因素导致的概率低于千万分之一，彻底打消了学界对中性粒子碰撞中“米格达尔效应”存在的质疑。
助力未来轻暗物质探测
研究团队认为，这6个“米格达尔事例”信号的发现与确认，不仅证实了“米格达尔效应”的存在，更像一把“校准标尺”，为未来轻暗物质探测实验提供了关键依据。
1月15日，在北京举行的米格达尔效应学术研讨会上，国科大郑阳恒教授(左)、刘倩教授合影。中新网记者 孙自法 摄
论文共同第一作者和共同通讯作者刘倩教授透露，未来，研究团队计划进一步优化探测器的性能，拓展对不同元素的“米格达尔效应”的观测，为更轻质量的暗物质粒子探测提供数据支持。
此前，依赖“米格达尔效应”的暗物质实验，只能基于理论模型估算信号强度，而此次发表的实测数据，可直接用于优化探测器设计、提升信号识别精度。因此，国际主流暗物质探测项目未来可结合中国科学家的研究结果调整分析策略，探测灵敏度或能再进一步提升。
论文共同通讯作者郑阳恒教授指出，研究团队还将与暗物质探测实验团队合作，将此次实验结果融入下一代探测器的研发中。“暗物质是理解宇宙起源与演化的关键，我们的工作让人类在这场‘宇宙寻宝游戏’中，又靠近了目标一步”。
国科大表示，本项研究团队核心成员有多位该校培养的博士研究生，有的同学在本科阶段就加入团队，在老师指导下深度参与本项前沿科研工作，这反映出国科大拔尖创新人才培养模式在助力青年学子成长成才方面的特色。(完)
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