近日，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)團(tuán)隊(duì)等利用自主研發(fā)的專用氣體探測(cè)器和像素讀出芯片，首次在實(shí)驗(yàn)中直接觀測(cè)到中子與原子核碰撞過(guò)程中的米格達(dá)爾效應(yīng)，為輕暗物質(zhì)探測(cè)突破閾值瓶頸提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

　　暗物質(zhì)是宇宙物質(zhì)總量中占比約85%的神秘物質(zhì)。除了引力外，至今沒(méi)有其他辦法“探測(cè)”到它。因此，科學(xué)家將目光投向更輕的暗物質(zhì)粒子。但是，這些粒子與普通物質(zhì)的相互作用極其微弱，產(chǎn)生的信號(hào)低于現(xiàn)有探測(cè)器的靈敏度下限，傳統(tǒng)探測(cè)方法幾乎無(wú)能為力。

　　蘇聯(lián)物理學(xué)家阿爾卡季?米格達(dá)爾于1939年首次提出米格達(dá)爾效應(yīng)，為突破這一困局帶來(lái)了希望。該效應(yīng)描述了一種量子現(xiàn)象：粒子與原子核碰撞時(shí)，可能將部分能量轉(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。這一過(guò)程可將原本不可探測(cè)的低能量信號(hào)轉(zhuǎn)化為可捕捉的電子信號(hào)，為捕捉輕暗物質(zhì)提供了可能。

　　米格達(dá)爾效應(yīng)被認(rèn)為是突破輕暗物質(zhì)探測(cè)能量閾值的關(guān)鍵理論路徑。但80多年來(lái)，中性粒子碰撞中的米格達(dá)爾效應(yīng)始終未被實(shí)驗(yàn)直接證實(shí)，這使得依賴該效應(yīng)的暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)，面臨理論假設(shè)缺乏實(shí)驗(yàn)支撐的質(zhì)疑。

　　研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了微結(jié)構(gòu)氣體探測(cè)器+像素讀出芯片組合的超靈敏探測(cè)裝置，相當(dāng)于一臺(tái)可拍攝“單原子運(yùn)動(dòng)中釋放電子過(guò)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，同時(shí)產(chǎn)生原子核反沖與米格達(dá)爾電子，二者形成“共頂點(diǎn)”的獨(dú)特軌跡。

　　通過(guò)分析這一特征，團(tuán)隊(duì)成功將米格達(dá)爾事例從伽馬射線、宇宙射線等背景干擾中區(qū)分開(kāi)來(lái)，統(tǒng)計(jì)顯著性超過(guò)5倍標(biāo)準(zhǔn)差，達(dá)到物理學(xué)“發(fā)現(xiàn)”標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)精準(zhǔn)測(cè)量出米格達(dá)爾效應(yīng)截面與原子核反沖截面的比值。

　　團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步優(yōu)化探測(cè)器的性能，拓展對(duì)不同元素的米格達(dá)爾效應(yīng)的觀測(cè)，為更輕質(zhì)量的暗物質(zhì)粒子探測(cè)提供數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還將與暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)合作，將此次實(shí)驗(yàn)結(jié)果融入下一代探測(cè)器的研發(fā)中。

　　暗物質(zhì)是理解宇宙起源與演化的關(guān)鍵，這一工作讓人類在這場(chǎng)“宇宙尋寶游戲”中又靠近了目標(biāo)一步。

探測(cè)器結(jié)構(gòu)與工作原理

實(shí)驗(yàn)裝置與布局

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的米格達(dá)爾效應(yīng)事例展示