探測器結構與工作原理

實驗裝置與布局

實驗中發現的米格達爾效應事例展示

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

暗物質與暗能量被視作本世紀物理領域的重大謎題，其探索將推動人類對物質世界的革命性認知。但輕質量暗物質與普通物質的相互作用極弱，常規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”上。

該理論由蘇聯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是否存在，一直未被發現或證實，這使得依賴該效應的暗物質探測實驗，始終面臨“理論假設缺乏實證支撐”的質疑。

在該項目中，科研團隊自主研發了“微結構氣體探測器+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－氘聚變反應加速器中子源，轟擊“照相機”內的氣體分子，會同時產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。

研究團隊通過數據采集，從81.7萬個候選事件中，精準篩選出6個“米格達爾事例”，統計顯著性超5個標準差，符合粒子物理領域“發現”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存在的質疑。

此次實測數據可直接用于優化探測器設計、提升信號識別精度，為米格達爾效應的深入研究與廣泛應用打開了全新窗口。中國科學院大學教授劉倩介紹，未來團隊計劃進一步優化探測器的性能，拓展對不同元素的米格達爾效應的觀測，為更輕質量的暗物質粒子探測提供數據支持。

據悉，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作完成，展現了我國在前沿基礎科學研究與高端探測器研發方面的協同創新能力，是多方聚力的典范。

中國科學院大學教授鄭陽恒表示，團隊后續還將與暗物質探測實驗團隊合作，把此次成果融入下一代探測器的研發中。“暗物質是理解宇宙起源與演化的關鍵，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）