探測(cè)器結(jié)構(gòu)與工作原理

實(shí)驗(yàn)裝置與布局

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的米格達(dá)爾效應(yīng)事例展示

近日，由中國(guó)科學(xué)院大學(xué)主導(dǎo)的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)首次直接觀測(cè)到米格達(dá)爾（Migdal）效應(yīng)，相關(guān)成果于1月15日發(fā)表在《自然》正刊。該研究不僅展現(xiàn)出我國(guó)高品質(zhì)氣體探測(cè)技術(shù)的卓越水平，更為輕質(zhì)量暗物質(zhì)探測(cè)突破閾值瓶頸提供關(guān)鍵支撐。

暗物質(zhì)與暗能量被視作本世紀(jì)物理領(lǐng)域的重大謎題，其探索將推動(dòng)人類(lèi)對(duì)物質(zhì)世界的革命性認(rèn)知。但輕質(zhì)量暗物質(zhì)與普通物質(zhì)的相互作用極弱，常規(guī)探測(cè)手段難以捕捉其信號(hào)。科學(xué)家們將破解這一困境的希望寄托在“米格達(dá)爾效應(yīng)”上。

該理論由蘇聯(lián)著名物理學(xué)家阿爾卡季?米格達(dá)爾于1939年首次提出：當(dāng)原子核受到撞擊后，會(huì)在反沖過(guò)程中會(huì)將部分能量轉(zhuǎn)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(diǎn)的兩條帶電徑跡。這一過(guò)程可將原本“不可探測(cè)的低能量信號(hào)”轉(zhuǎn)化為“可捕捉的電子信號(hào)”。

然而，自理論預(yù)言提出后的80多年間，中性粒子碰撞過(guò)程中的米格達(dá)爾效應(yīng)是否存在，一直未被發(fā)現(xiàn)或證實(shí)，這使得依賴(lài)該效應(yīng)的暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)，始終面臨“理論假設(shè)缺乏實(shí)證支撐”的質(zhì)疑。

在該項(xiàng)目中，科研團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了“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，相當(dāng)于可拍攝“單原子運(yùn)動(dòng)中釋放電子過(guò)程”的“照相機(jī)”。利用緊湊型氘－氘聚變反應(yīng)加速器中子源，轟擊“照相機(jī)”內(nèi)的氣體分子，會(huì)同時(shí)產(chǎn)生原子核反沖與米格達(dá)爾電子，二者形成“共頂點(diǎn)”的獨(dú)特軌跡。通過(guò)分析這一特征，莊閑和app團(tuán)隊(duì)成功地將這種“米格達(dá)爾事件”從伽馬射線、宇宙射線等背景干擾中區(qū)分開(kāi)來(lái)，首次直接證實(shí)了1939年利用量子力學(xué)預(yù)言的米格達(dá)爾效應(yīng)。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)數(shù)據(jù)采集，從81.7萬(wàn)個(gè)候選事件中，精準(zhǔn)篩選出6個(gè)“米格達(dá)爾事例”，統(tǒng)計(jì)顯著性超5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，符合粒子物理領(lǐng)域“發(fā)現(xiàn)”的黃金標(biāo)準(zhǔn)，徹底打消了學(xué)界對(duì)中性粒子碰撞中米格達(dá)爾效應(yīng)存在的質(zhì)疑。

此次實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可直接用于優(yōu)化探測(cè)器設(shè)計(jì)、提升信號(hào)識(shí)別精度，為米格達(dá)爾效應(yīng)的深入研究與廣泛應(yīng)用打開(kāi)了全新窗口。中國(guó)科學(xué)院大學(xué)教授劉倩介紹，未來(lái)團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步優(yōu)化探測(cè)器的性能，拓展對(duì)不同元素的米格達(dá)爾效應(yīng)的觀測(cè)，為更輕質(zhì)量的暗物質(zhì)粒子探測(cè)提供數(shù)據(jù)支持。

據(jù)悉，此次研究工作由中國(guó)科學(xué)院大學(xué)牽頭，廣西大學(xué)、華中師范大學(xué)、蘭州大學(xué)、南京師范大學(xué)及煙臺(tái)大學(xué)共同協(xié)作完成，展現(xiàn)了我國(guó)在前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究與高端探測(cè)器研發(fā)方面的協(xié)同創(chuàng)新能力，是多方聚力的典范。

中國(guó)科學(xué)院大學(xué)教授鄭陽(yáng)恒表示，團(tuán)隊(duì)后續(xù)還將與暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)合作，把此次成果融入下一代探測(cè)器的研發(fā)中。“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(lèi)在這場(chǎng)‘宇宙尋寶游戲’中，又靠近了目標(biāo)一步。”（光明日?qǐng)?bào)全媒體記者崔興毅 通訊員楊佳璇）