暗物质作为宇宙的重要组成部分,其探测和研究对于理解宇宙起源与演化具有重要意义。
然而,轻质量暗物质的探测一直面临灵敏度不足的难题,成为困扰科学界的关键瓶颈。
近日,中国科学院大学联合多家科研机构的研究团队通过创新实验方法,成功观测到米格达尔效应,为突破这一瓶颈提供了理论与实验支撑。
米格达尔效应是一种经典的量子物理现象。
早在1939年,苏联著名物理学家阿尔卡季·米格达尔利用量子力学理论首次预言了这一效应。
当原子核突然获得能量并加速运动时,核反冲过程中产生的内部电场变化会将能量部分转移给核外电子,使电子有概率获得足够能量脱离原子束缚,形成具有独特几何特征的"共顶点"双轨迹。
进入21世纪以来,科学家们逐渐认识到,米格达尔效应可以成为探测轻暗物质的重要物理机制,因为暗物质与普通物质的相互作用也会产生类似的核反冲现象。
长期以来,虽然米格达尔效应的理论预言已有80多年历史,但在中性粒子碰撞实验中一直未被直接观测和证实。
这种理论与实验的脱节,使得基于该效应的暗物质探测方案始终面临"缺乏实证支撑"的质疑,严重制约了轻暗物质探测实验的推进。
为解决这一问题,中国科学院大学教授刘倩领导的研究团队自主研发了一套超灵敏探测装置,将微结构气体探测器与像素读出芯片相结合,形成了可以捕捉单原子级别物理过程的"超级照相机"。
这套装置具有极高的空间分辨率和能量分辨率,能够精确记录粒子运动留下的痕迹。
在实验中,研究团队利用紧凑型氘—氘聚变反应加速器中子源,向装置内的气体分子进行轰击。
中子与气体分子碰撞产生的原子核反冲与米格达尔电子会同时产生,两者形成具有特征性的"共顶点"轨迹。
通过对这一独特几何特征的识别和分析,研究团队成功地将米格达尔事件从伽马射线、宇宙射线等复杂的背景干扰中区分出来,首次直接证实了这一物理效应的存在。
这一成果的意义远超单纯的物理验证。
锦屏CDEX暗物质实验负责人岳骞指出,该发现不仅填补了实验验证米格达尔效应的长期空白,巩固了相关理论基础,还充分展现了我国在气体探测技术领域的先进水平和自主创新能力,为轻质量暗物质探测的实际应用奠定了坚实基础。
根据研究团队的计划,这项成果将被进一步融入下一代暗物质探测器的研发工作中。
项目骨干成员、中国科学院大学教授郑阳恒表示,团队将与暗物质探测实验团队密切合作,利用本次实验结果优化探测器设计,提升对轻暗物质的探测灵敏度,为破解宇宙谜团做出更大贡献。
基础科学的进展往往来自对“看不见之物”的持续追问:一方面,需要严谨的理论预言作为坐标;另一方面,更离不开可靠的实验工具将坐标落到现实。
米格达尔效应从提出到被直接观测跨越八十余年,既体现了科学探索的长期性,也说明关键技术的突破能够改变研究路径。
面向宇宙的未知,人类每一次把假设变成证据,都是向真相更近的一步。