中國(guó)科學(xué)院大學(xué)聯(lián)合國(guó)內(nèi)多所高校科研團(tuán)隊(duì)，于近期在暗物質(zhì)探測(cè)領(lǐng)域取得一項(xiàng)重大突破。該團(tuán)隊(duì)首次直接觀測(cè)到米格達(dá)爾效應(yīng)，這一成果已于2026年1月15日發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》上。

據(jù)了解，參與此項(xiàng)研究的高校包括廣西大學(xué)、華中師范大學(xué)、蘭州大學(xué)、南京師范大學(xué)、煙臺(tái)大學(xué)等。

米格達(dá)爾效應(yīng)的直接觀測(cè)，標(biāo)志著我國(guó)在探索暗物質(zhì)這一宇宙謎團(tuán)方面邁出了關(guān)鍵一步。暗物質(zhì)是宇宙中一種看不見(jiàn)、摸不著的物質(zhì)，占據(jù)了宇宙質(zhì)量的絕大部分，但我們對(duì)其性質(zhì)和組成知之甚少。直接探測(cè)暗物質(zhì)，是當(dāng)前物理學(xué)界的重要研究方向之一。

此項(xiàng)研究的重要意義在于，它為輕質(zhì)量暗物質(zhì)（質(zhì)量低于幾GeV）的直接探測(cè)提供了一種全新的路徑。傳統(tǒng)的暗物質(zhì)探測(cè)方法對(duì)于輕質(zhì)量暗物質(zhì)的探測(cè)效果有限，而利用米格達(dá)爾效應(yīng)，可以更加有效地捕捉到輕質(zhì)量暗物質(zhì)與普通物質(zhì)相互作用時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)。

米格達(dá)爾效應(yīng)：理論預(yù)言與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的跨越

米格達(dá)爾效應(yīng)，由蘇聯(lián)物理學(xué)家阿爾卡季·米格達(dá)爾于1939年提出，是原子核物理學(xué)中的一個(gè)重要概念。其核心機(jī)制描述了這樣一種現(xiàn)象：當(dāng)原子核由于外部能量的作用而加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，例如受到暗物質(zhì)粒子的碰撞，反沖過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)部電場(chǎng)變化會(huì)將一部分能量傳遞給核外電子。

這種能量轉(zhuǎn)移足以使電子掙脫原子核的束縛，從而形成兩條在同一點(diǎn)開(kāi)始的帶電粒子徑跡，即所謂的“共頂點(diǎn)”。

具體來(lái)說(shuō)，米格達(dá)爾效應(yīng)的發(fā)生需要以下條件：

首先，原子核必須受到足夠大的能量沖擊，例如來(lái)自暗物質(zhì)粒子的碰撞。

其次，原子核在碰撞后的反沖運(yùn)動(dòng)會(huì)引起原子內(nèi)部電場(chǎng)的快速變化。

最后，這種電場(chǎng)變化能夠?qū)⒉糠帜芰總鬟f給核外電子，使其獲得足夠的動(dòng)能脫離原子束縛。脫離束縛的電子與反沖的原子核將各自形成一條帶電徑跡，而這兩條徑跡由于都源于同一個(gè)原子，因此理論上會(huì)在同一點(diǎn)起始，形成“共頂點(diǎn)”的特征。

米格達(dá)爾效應(yīng)的提出，為探測(cè)暗物質(zhì)提供了一種潛在的途徑。因?yàn)榘滴镔|(zhì)與普通物質(zhì)的相互作用極其微弱，傳統(tǒng)的探測(cè)手段難以奏效。然而，如果暗物質(zhì)粒子能夠與原子核發(fā)生碰撞，并引發(fā)米格達(dá)爾效應(yīng)，那么通過(guò)探測(cè)共頂點(diǎn)的帶電徑跡，就有可能間接推斷出暗物質(zhì)粒子的存在。

然而，盡管米格達(dá)爾效應(yīng)在理論上被廣泛討論，并在暗物質(zhì)探測(cè)領(lǐng)域扮演著重要角色，但自其提出以來(lái)，長(zhǎng)達(dá)80余年的時(shí)間里，中性粒子碰撞過(guò)程中米格達(dá)爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證卻始終面臨挑戰(zhàn)。

這使得依賴該效應(yīng)的暗物質(zhì)探測(cè)，長(zhǎng)期以來(lái)都受到“理論假設(shè)缺乏實(shí)證支撐”的質(zhì)疑。理論的提出與實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證之間存在巨大的鴻溝，限制了米格達(dá)爾效應(yīng)在實(shí)際應(yīng)用中的價(jià)值。

米格達(dá)爾效應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的困難

首先，暗物質(zhì)粒子與普通物質(zhì)的相互作用極其微弱，發(fā)生碰撞的概率極低。其次，即使發(fā)生了碰撞，米格達(dá)爾效應(yīng)本身也是一個(gè)相對(duì)罕見(jiàn)的現(xiàn)象。這使得探測(cè)到米格達(dá)爾效應(yīng)產(chǎn)生的共頂點(diǎn)徑跡變得非常困難。

盡管面臨諸多挑戰(zhàn)，科學(xué)家們一直沒(méi)有放棄對(duì)米格達(dá)爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。隨著探測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及新一代暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，我們有理由相信，米格達(dá)爾效應(yīng)最終會(huì)被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，從而為暗物質(zhì)探測(cè)以及原子核物理學(xué)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。米格達(dá)爾效應(yīng)從理論預(yù)言到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的跨越，將是一項(xiàng)具有里程碑意義的成就。

實(shí)驗(yàn)突破：超靈敏探測(cè)裝置與暗物質(zhì)探索的關(guān)鍵技術(shù)

近年來(lái)，粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)領(lǐng)域?qū)Π滴镔|(zhì)的探索持續(xù)升溫。探測(cè)暗物質(zhì)與普通物質(zhì)之間微弱的相互作用，是揭示暗物質(zhì)本質(zhì)的關(guān)鍵。

近期，一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了一種“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，并在實(shí)驗(yàn)中取得了重要突破。該裝置具有極高的靈敏度，如同“拍攝單原子運(yùn)動(dòng)中釋放電子過(guò)程的照相機(jī)”。

該實(shí)驗(yàn)的核心是模擬暗物質(zhì)與原子核的碰撞過(guò)程。研究團(tuán)隊(duì)利用緊湊型氘—氘聚變反應(yīng)加速器中子源，以中子轟擊氣體分子。理論上，如果暗物質(zhì)與原子核發(fā)生碰撞，會(huì)產(chǎn)生原子核反沖，并伴隨米格達(dá)爾電子的產(chǎn)生。這兩種粒子同時(shí)產(chǎn)生，形成具有“共頂點(diǎn)”的獨(dú)特軌跡，為實(shí)驗(yàn)提供關(guān)鍵信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于從復(fù)雜的背景干擾中提取米格達(dá)爾事件的信號(hào)。自然界中存在大量伽馬射線和宇宙射線，它們也會(huì)在探測(cè)器中產(chǎn)生類似信號(hào)。為此，研究團(tuán)隊(duì)巧妙利用米格達(dá)爾事件的獨(dú)特軌跡特征，通過(guò)精確分析軌跡的頂點(diǎn)位置、角度和能量等信息，成功地將米格達(dá)爾事件從背景干擾中區(qū)分出來(lái)。

通過(guò)對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，研究團(tuán)隊(duì)首次直接證實(shí)了米格達(dá)爾效應(yīng)的存在。這一突破性成果不僅驗(yàn)證了米格達(dá)爾效應(yīng)的理論預(yù)測(cè)，也為尋找暗物質(zhì)提供了一種新的實(shí)驗(yàn)手段。這種超靈敏探測(cè)裝置及其關(guān)鍵技術(shù)，有望在未來(lái)的暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮重要作用，幫助科學(xué)家們更深入地了解宇宙的奧秘。未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷完善和實(shí)驗(yàn)的不斷深入，我們期待該團(tuán)隊(duì)能在暗物質(zhì)探測(cè)領(lǐng)域取得更多突破性的進(jìn)展。

科學(xué)意義——為輕暗物質(zhì)探測(cè)打開(kāi)新窗口

當(dāng)前主流暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)，例如WIMP探測(cè)，其核反沖能量閾值通常在千電子伏特（keV）量級(jí)。然而，對(duì)于質(zhì)量低于幾個(gè)十億電子伏特（GeV）的輕暗物質(zhì)粒子而言，其引起的核反沖能量極其微弱，難以被現(xiàn)有技術(shù)有效探測(cè)。

米格達(dá)爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)為突破這一瓶頸提供了新的可能性。該效應(yīng)的核心在于能量轉(zhuǎn)移機(jī)制：它能夠?qū)⒉糠趾朔礇_能量轉(zhuǎn)化為電子電離能，從而使電子能量顯著高于原始的核反沖能量，有效降低了探測(cè)的能量閾值。

更為重要的是，米格達(dá)爾電子產(chǎn)生的電離信號(hào)能夠被現(xiàn)有探測(cè)器捕捉，為輕暗物質(zhì)的探測(cè)提供了一條可行的技術(shù)路徑，即通過(guò)增強(qiáng)信號(hào)來(lái)提高探測(cè)靈敏度。

這項(xiàng)研究不僅填補(bǔ)了長(zhǎng)期以來(lái)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證米格達(dá)爾效應(yīng)的空白，進(jìn)一步鞏固了該效應(yīng)的理論基礎(chǔ)。更重要的是，它為未來(lái)利用米格達(dá)爾效應(yīng)進(jìn)行輕質(zhì)量暗物質(zhì)探測(cè)的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，開(kāi)啟了輕暗物質(zhì)探測(cè)的新窗口。

技術(shù)能力體現(xiàn)與未來(lái)展望

本次實(shí)驗(yàn)充分體現(xiàn)了我國(guó)在高品質(zhì)氣體探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力。探測(cè)裝置的靈敏度與分辨率已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，這不僅證明了我國(guó)在該領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)力，也為未來(lái)的科研突破奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

該研究由中國(guó)科學(xué)院大學(xué)牽頭，聯(lián)合多所高校協(xié)同攻關(guān)，整合了粒子物理、探測(cè)器技術(shù)、數(shù)據(jù)分析等多領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)。這種跨學(xué)科合作模式為未來(lái)大型科學(xué)工程提供了寶貴的合作范式，展現(xiàn)了我國(guó)科研力量的強(qiáng)大整合能力。

科研團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果融入下一代探測(cè)器的設(shè)計(jì)中，通過(guò)優(yōu)化探測(cè)器結(jié)構(gòu)與信號(hào)處理算法，進(jìn)一步提升對(duì)輕暗物質(zhì)的探測(cè)效率。

正如項(xiàng)目骨干成員鄭陽(yáng)恒教授所言：“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(chǎng)‘宇宙尋寶游戲’中，又靠近了目標(biāo)一步?！?這預(yù)示著我國(guó)在暗物質(zhì)探測(cè)領(lǐng)域?qū)⒊掷m(xù)發(fā)力，為揭示宇宙奧秘做出更大的貢獻(xiàn)。