长期以来,暗物质之谜被视为现代宇宙学与粒子物理共同面对的核心难题之一。
观测与理论普遍认为,暗物质在宇宙物质总量中占比约85%,虽不发光、不发热,却通过引力塑造星系结构并影响星系旋转曲线等宏观现象。
问题在于,暗物质迄今仍缺乏可被直接确认的非引力相互作用证据,导致其粒子属性、质量尺度与相互作用强度仍悬而未决。
在原因层面,过去数十年国际暗物质探测多围绕“弱相互作用大质量粒子”等假设展开,实验灵敏度不断提升,但仍未获得明确的信号。
这一结果促使学界重新评估暗物质可能的质量区间:若暗物质更轻,其与普通物质的相互作用往往更加微弱,产生的可探测能量沉积低于传统探测器阈值,信号不仅稀少,而且容易被本底噪声淹没。
能量阈值由此成为搜寻轻暗物质的关键瓶颈之一。
米格达尔效应为突破上述瓶颈提供了重要思路。
1939年,苏联物理学家阿尔卡季·米格达尔提出:当粒子撞击原子核并使原子核发生反冲时,核外电子可能因瞬时扰动获得能量而被激发甚至电离,从而产生可观测的电子信号。
对轻暗物质而言,若其直接引发的核反冲能量过低难以被探测,米格达尔效应所带来的电子信号有望将“不可见”的微弱相互作用转化为可记录的电离事件,因此被视为降低探测阈值、拓展搜索窗口的关键理论路径。
然而,长期以来,特别是在中性粒子碰撞场景中,该效应缺乏直接实验验证,使得依赖该效应的相关探测方案在解释与建模上面临不确定性与质疑。
此次研究在影响层面具有双重意义:一是补上了基础物理实验验证的重要环节。
联合研究团队基于自主研发的专用气体探测器与像素读出芯片,在中子与原子核碰撞过程中首次直接捕捉到米格达尔效应事件,统计显著性超过5倍标准差,达到粒子物理领域通行的“发现”标准。
同时,团队测量了米格达尔效应截面与原子核反冲截面的比值,为理论计算与实验模拟提供了可对照的量化参数。
二是为暗物质实验提供了更稳固的“标定尺”。
在暗物质搜寻中,信号模型是否可信直接影响实验灵敏度的有效性与结论的稳健性。
该结果有助于降低模型依赖带来的系统误差,提升对潜在信号的识别能力与结果可比性。
就对策而言,这项工作提示未来轻暗物质探测可在“降低阈值”之外,进一步在“提高可判别性”上做文章:一方面,通过将米格达尔效应纳入更精细的探测器响应模型与数据分析框架,提升对极低能事件的识别与分类能力;另一方面,结合不同材料体系、不同探测介质与读出技术,开展跨实验的校验与互证,形成更完整的本底控制、系统误差评估与信号判别链条。
与此同时,自主器件研发的实践也表明,关键探测能力的提升不仅依赖理论设想,更离不开探测器材料、读出芯片与数据处理等综合技术路线的持续突破。
展望前景,随着更多国际实验把搜索范围延伸至更轻质量区间,米格达尔效应的实验确证将成为重要的共同基础之一。
它既可能帮助现有实验在不改变整体架构的情况下拓展灵敏度边界,也可能推动面向轻暗物质的专门探测方案加速落地。
更重要的是,这一成果体现出基础研究与前沿应用的相互牵引:对量子过程的精确认识,能够直接转化为对宇宙未知成分的探索能力。
相关成果发表于《自然》,也将促进国际同行在理论计算、探测器设计与数据分析方法上的进一步协同与竞争。
从理论预言到实验验证,跨越87年的科学求索见证了中国基础研究的厚积薄发。
这项突破不仅彰显了我国在量子物理前沿领域的创新能力,更为揭开暗物质这一"世纪之谜"提供了中国方案。
随着探测技术的迭代升级,人类对宇宙本质的认知或将迎来新的飞跃,而中国科学家正以坚实的步伐走在这场科学长征的前列。