中新網(wǎng)北京1月15日電 (記者 孫自法)作為21世紀(jì)物理天空中的“兩朵烏云”之一，暗物質(zhì)的探測研究一直是科學(xué)家們孜孜以求的目標(biāo)。

　　中國科學(xué)家最近基于創(chuàng)新研發(fā)的超靈敏探測裝置，在國際上首次直接觀測到“米格達(dá)爾效應(yīng)”事例，也首次證實(shí)了蘇聯(lián)物理學(xué)家阿爾卡季·米格達(dá)爾(Arkady Migdal)80多年前提出的量子力學(xué)理論預(yù)言，有望為暗物質(zhì)探測研究打開一扇重要窗口。

1月15日，在北京舉行的米格達(dá)爾效應(yīng)學(xué)術(shù)研討會上，本項(xiàng)研究自主研發(fā)的超靈敏探測裝置在會場展示。中新網(wǎng)記者 孫自法 攝

　　這項(xiàng)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域重大突破成果，由中國科學(xué)院大學(xué)(國科大)鄭陽恒、劉倩團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜聯(lián)合廣西大學(xué)、華中師范大學(xué)等多所高?？蒲袌F(tuán)隊(duì)共同完成，相關(guān)論文北京時間1月15日在國際知名學(xué)術(shù)期刊《自然》上線發(fā)表。研究團(tuán)隊(duì)當(dāng)天在北京舉行米格達(dá)爾效應(yīng)學(xué)術(shù)研討會，圍繞最新發(fā)表成果的意義、應(yīng)用和未來研究規(guī)劃展開研討交流。

　　為何選“米格達(dá)爾效應(yīng)”

　　研究團(tuán)隊(duì)介紹說，宇宙觀測中發(fā)現(xiàn)的很多奇異現(xiàn)象都表明，宇宙中隱藏了大量看不見的暗物質(zhì)，幾乎是宇宙物質(zhì)總量的85%。除了引力外，盡管暗物質(zhì)粒子直接探測器靈敏度不斷提高，但迄今仍未能發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)。

　　于是，學(xué)界也將部分目光轉(zhuǎn)向質(zhì)量更輕的暗物質(zhì)，即質(zhì)量介于兆電子伏特(MeV)到千兆電子伏特(GeV)之間的暗物質(zhì)粒子的探測工作，其質(zhì)量區(qū)域的實(shí)驗(yàn)探測還未受到太陽中微子等本底的嚴(yán)重干擾，仍有顯著的探索空間。

　　然而，輕暗物質(zhì)與普通物質(zhì)的相互作用極其微弱，所產(chǎn)生的信號用常規(guī)探測手段難以捕捉?？茖W(xué)家們將破解這一困境的希望寄托在“米格達(dá)爾效應(yīng)”上。這一量子力學(xué)效應(yīng)由米格達(dá)爾于1939年提出，預(yù)言當(dāng)粒子與原子核發(fā)生碰撞時，原子核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。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”。

　　“米格達(dá)爾效應(yīng)”可以是突破輕暗物質(zhì)探測閾值瓶頸的重要路徑之一。不過，自理論預(yù)言提出后的80多年間，中性粒子碰撞過程中的“米格達(dá)爾效應(yīng)”是否存在，一直未被發(fā)現(xiàn)或證實(shí)，這使得依賴該效應(yīng)的暗物質(zhì)探測實(shí)驗(yàn)，始終面臨“理論假設(shè)缺乏實(shí)證支撐”的質(zhì)疑。

　　研發(fā)出超靈敏探測裝置

　　在本項(xiàng)研究中，中國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)出“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(diǎn)”的獨(dú)特軌跡。

　　通過分析這一特征，研究團(tuán)隊(duì)成功將“米格達(dá)爾事件”從伽馬射線、宇宙射線等背景干擾中區(qū)分開來，利用量子力學(xué)預(yù)言的“米格達(dá)爾效應(yīng)”由此獲首次直接證實(shí)。

本項(xiàng)研究的探測器結(jié)構(gòu)與工作原理(左上)、實(shí)驗(yàn)裝置與布局(左下)、實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的“米格達(dá)爾效應(yīng)”事例展示。國科大 供圖

　　經(jīng)過約150小時的數(shù)據(jù)采集，研究團(tuán)隊(duì)從81.7萬個候選事件中，精準(zhǔn)篩選出6個符合“米格達(dá)爾效應(yīng)”特征的“米格達(dá)爾事例”。

　　數(shù)據(jù)分析證實(shí)，這6個“米格達(dá)爾事例”的統(tǒng)計顯著性超過5個標(biāo)準(zhǔn)差，這是粒子物理領(lǐng)域判定實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的黃金標(biāo)準(zhǔn)，意味著觀測結(jié)果由偶然因素導(dǎo)致的概率低于千萬分之一，徹底打消了學(xué)界對中性粒子碰撞中“米格達(dá)爾效應(yīng)”存在的質(zhì)疑。

　　助力未來輕暗物質(zhì)探測

　　研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這6個“米格達(dá)爾事例”信號的發(fā)現(xiàn)與確認(rèn)，不僅證實(shí)了“米格達(dá)爾效應(yīng)”的存在，更像一把“校準(zhǔn)標(biāo)尺”，為未來輕暗物質(zhì)探測實(shí)驗(yàn)提供了關(guān)鍵依據(jù)。

1月15日，在北京舉行的米格達(dá)爾效應(yīng)學(xué)術(shù)研討會上，國科大鄭陽恒教授(左)、劉倩教授合影。中新網(wǎng)記者 孫自法 攝

　　論文共同第一作者和共同通訊作者劉倩教授透露，未來，研究團(tuán)隊(duì)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。

　　此前，依賴“米格達(dá)爾效應(yīng)”的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)，只能基于理論模型估算信號強(qiáng)度，而此次發(fā)表的實(shí)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。因此，國際主流暗物質(zhì)探測項(xiàng)目未來可結(jié)合中國科學(xué)家的研究結(jié)果調(diào)整分析策略，探測靈敏度或能再進(jìn)一步提升。

　　論文共同通訊作者鄭陽恒教授指出，研究團(tuán)隊(duì)還將與暗物質(zhì)探測實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)合作，將此次實(shí)驗(yàn)結(jié)果融入下一代探測器的研發(fā)中?！鞍滴镔|(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(biāo)一步”。

　　國科大表示，本項(xiàng)研究團(tuán)隊(duì)核心成員有多位該校培養(yǎng)的博士研究生，有的同學(xué)在本科階段就加入團(tuán)隊(duì)，在老師指導(dǎo)下深度參與本項(xiàng)前沿科研工作，這反映出國科大拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式在助力青年學(xué)子成長成才方面的特色。(完)