在人类探索宇宙奥秘的征程中,暗物质始终是最具挑战性的科学难题之一。
北京时间15日,一项由我国科研团队完成的突破性研究成果在国际学术期刊《自然》发表,标志着我国在基础物理学领域取得重要进展。
这项由中国科学院大学牵头,广西大学、华中师范大学、兰州大学、南京师范大学、烟台大学等多所高校协同攻关的研究,首次通过实验直接观测到米格达尔效应,为轻质量暗物质探测提供了坚实的理论实证基础。
米格达尔效应由苏联物理学家阿尔卡季·米格达尔于1939年基于量子力学原理提出。
该理论描述了一种独特的物理现象:当原子核受到撞击突然加速时,其内部电场的剧烈变化会将部分能量传递给核外电子,使电子获得足够能量脱离原子束缚,从而在探测器中形成具有共同起点的核反冲径迹与电子径迹。
然而,自理论诞生以来的80多年间,中性粒子碰撞过程中的米格达尔效应能否在实验中被观测到,始终是物理学界悬而未决的问题。
这一实验验证的缺失,使得基于该效应开展的暗物质探测工作长期面临理论基础不牢固的质疑,成为制约相关研究深入推进的关键障碍。
进入21世纪后,随着暗物质探测技术的发展,科学界逐渐认识到米格达尔效应在突破轻质量暗物质探测阈值限制方面具有重要价值。
传统探测方法对于质量较轻的暗物质粒子灵敏度不足,而利用米格达尔效应产生的额外电子信号,有望显著降低探测阈值,提升对轻质量暗物质的探测能力。
为攻克这一科学难题,研究团队自主研发了新型超灵敏探测装置。
据项目负责人之一、中国科学院大学教授刘倩介绍,该装置将微结构气体探测器与像素读出芯片相结合,能够精确捕捉单个原子运动过程中释放电子的瞬间,相当于为微观粒子世界配备了一台高速高精度相机。
在实验设计上,团队采用紧凑型氘氘聚变反应加速器作为中子源,通过中子轰击探测器内的气体分子,同时诱发原子核反冲与米格达尔电子的产生。
这两种粒子形成的共顶点径迹特征,成为识别米格达尔效应的关键标志。
通过精密的数据分析,研究人员成功将这种特殊事件从伽马射线、宇宙射线等复杂的本底干扰中甄别出来,获得了米格达尔效应存在的直接实验证据。
锦屏地下暗物质实验项目负责人岳骞认为,这项成果具有多重科学意义。
一方面,它填补了米格达尔效应实验验证长达80余年的空白,为这一量子力学预言提供了坚实的实证支撑,巩固了相关理论基础;另一方面,实验充分展示了我国在高品质气体探测技术领域的自主创新能力,为后续暗物质探测研究奠定了技术基础。
项目骨干成员、中国科学院大学教授郑阳恒表示,团队下一步将与国内暗物质探测实验团队深化合作,将此次获得的实验数据和技术方案融入新一代探测器的设计研发中,推动我国暗物质探测能力迈上新台阶。
值得注意的是,这项研究工作得到了国家自然科学基金委创新研究群体项目、国家重点研发计划、广西人才小高地等多个科研基金的支持,体现了国家对基础科学研究的持续投入和战略布局。
基础科学的突破往往源于对微弱信号的执着追问和对关键环节的长期打磨。
米格达尔效应的首次直接观测，不仅回应了科学界对实证支撑的期待，也为轻暗物质探测打开了更具操作性的技术窗口。
面向宇宙未知成分的探索仍将漫长而艰难，但每一次把“可能”变成“确定”，都在为人类理解宇宙的道路铺设更坚实的台阶。