解密暗物質！我國科研團隊首次直接觀測到米格達爾效應，有多厲害

中國科學院大學聯合國內多所高校科研團隊，于近期在暗物質探測領域取得一項重大突破。該團隊首次直接觀測到米格達爾效應，這一成果已于2026年1月15日發表在國際頂級學術期刊《自然》上。

據了解，參與此項研究的高校包括廣西大學、華中師范大學、蘭州大學、南京師范大學、煙臺大學等。

米格達爾效應的直接觀測，標志著我國在探索暗物質這一宇宙謎團方面邁出了關鍵一步。暗物質是宇宙中一種看不見、摸不著的物質，占據了宇宙質量的絕大部分，但我們對其性質和組成知之甚少。直接探測暗物質，是當前物理學界的重要研究方向之一。

此項研究的重要意義在于，它為輕質量暗物質（質量低于幾GeV）的直接探測提供了一種全新的路徑。傳統的暗物質探測方法對于輕質量暗物質的探測效果有限，而利用米格達爾效應，可以更加有效地捕捉到輕質量暗物質與普通物質相互作用時產生的信號。

米格達爾效應：理論預言與實驗驗證的跨越

米格達爾效應，由蘇聯物理學家阿爾卡季·米格達爾于1939年提出，是原子核物理學中的一個重要概念。其核心機制描述了這樣一種現象：當原子核由于外部能量的作用而加速運動時，例如受到暗物質粒子的碰撞，反沖過程中產生的內部電場變化會將一部分能量傳遞給核外電子。

這種能量轉移足以使電子掙脫原子核的束縛，從而形成兩條在同一點開始的帶電粒子徑跡，即所謂的“共頂點”。

具體來說，米格達爾效應的發生需要以下條件：

首先，原子核必須受到足夠大的能量沖擊，例如來自暗物質粒子的碰撞。

其次，原子核在碰撞后的反沖運動會引起原子內部電場的快速變化。

最后，這種電場變化能夠將部分能量傳遞給核外電子，使其獲得足夠的動能脫離原子束縛。脫離束縛的電子與反沖的原子核將各自形成一條帶電徑跡，而這兩條徑跡由于都源于同一個原子，因此理論上會在同一點起始，形成“共頂點”的特征。

米格達爾效應的提出，為探測暗物質提供了一種潛在的途徑。因為暗物質與普通物質的相互作用極其微弱，傳統的探測手段難以奏效。然而，如果暗物質粒子能夠與原子核發生碰撞，并引發米格達爾效應，那么通過探測共頂點的帶電徑跡，就有可能間接推斷出暗物質粒子的存在。

然而，盡管米格達爾效應在理論上被廣泛討論，并在暗物質探測領域扮演著重要角色，但自其提出以來，長達80余年的時間里，中性粒子碰撞過程中米格達爾效應的實驗驗證卻始終面臨挑戰。

這使得依賴該效應的暗物質探測，長期以來都受到“理論假設缺乏實證支撐”的質疑。理論的提出與實驗的驗證之間存在巨大的鴻溝，限制了米格達爾效應在實際應用中的價值。

米格達爾效應進行實驗驗證的困難

首先，暗物質粒子與普通物質的相互作用極其微弱，發生碰撞的概率極低。其次，即使發生了碰撞，米格達爾效應本身也是一個相對罕見的現象。這使得探測到米格達爾效應產生的共頂點徑跡變得非常困難。

盡管面臨諸多挑戰，科學家們一直沒有放棄對米格達爾效應的實驗驗證。隨著探測技術的不斷進步，以及新一代暗物質探測實驗的開展，我們有理由相信，米格達爾效應最終會被實驗證實，從而為暗物質探測以及原子核物理學的發展做出更大的貢獻。米格達爾效應從理論預言到實驗驗證的跨越，將是一項具有里程碑意義的成就。

實驗突破：超靈敏探測裝置與暗物質探索的關鍵技術

近年來，粒子物理學和宇宙學領域對暗物質的探索持續升溫。探測暗物質與普通物質之間微弱的相互作用，是揭示暗物質本質的關鍵。

近期，一個科研團隊自主研發了一種“微結構氣體探測器+像素讀出芯片”組合的超靈敏探測裝置，并在實驗中取得了重要突破。該裝置具有極高的靈敏度，如同“拍攝單原子運動中釋放電子過程的照相機”。

該實驗的核心是模擬暗物質與原子核的碰撞過程。研究團隊利用緊湊型氘—氘聚變反應加速器中子源，以中子轟擊氣體分子。理論上，如果暗物質與原子核發生碰撞，會產生原子核反沖，并伴隨米格達爾電子的產生。這兩種粒子同時產生，形成具有“共頂點”的獨特軌跡，為實驗提供關鍵信號。

實驗的關鍵挑戰在于從復雜的背景干擾中提取米格達爾事件的信號。自然界中存在大量伽馬射線和宇宙射線，它們也會在探測器中產生類似信號。為此，研究團隊巧妙利用米格達爾事件的獨特軌跡特征，通過精確分析軌跡的頂點位置、角度和能量等信息，成功地將米格達爾事件從背景干擾中區分出來。

通過對大量實驗數據的分析，研究團隊首次直接證實了米格達爾效應的存在。這一突破性成果不僅驗證了米格達爾效應的理論預測，也為尋找暗物質提供了一種新的實驗手段。這種超靈敏探測裝置及其關鍵技術，有望在未來的暗物質探測實驗中發揮重要作用，幫助科學家們更深入地了解宇宙的奧秘。未來，隨著技術的不斷完善和實驗的不斷深入，我們期待該團隊能在暗物質探測領域取得更多突破性的進展。

科學意義——為輕暗物質探測打開新窗口

當前主流暗物質探測實驗，例如WIMP探測，其核反沖能量閾值通常在千電子伏特（keV）量級。然而，對于質量低于幾個十億電子伏特（GeV）的輕暗物質粒子而言，其引起的核反沖能量極其微弱，難以被現有技術有效探測。

米格達爾效應的發現為突破這一瓶頸提供了新的可能性。該效應的核心在于能量轉移機制：它能夠將部分核反沖能量轉化為電子電離能，從而使電子能量顯著高于原始的核反沖能量，有效降低了探測的能量閾值。

更為重要的是，米格達爾電子產生的電離信號能夠被現有探測器捕捉，為輕暗物質的探測提供了一條可行的技術路徑，即通過增強信號來提高探測靈敏度。

這項研究不僅填補了長期以來實驗驗證米格達爾效應的空白，進一步鞏固了該效應的理論基礎。更重要的是，它為未來利用米格達爾效應進行輕質量暗物質探測的應用奠定了堅實的基礎，開啟了輕暗物質探測的新窗口。

技術能力體現與未來展望

本次實驗充分體現了我國在高品質氣體探測技術領域的自主創新能力。探測裝置的靈敏度與分辨率已達到國際領先水平，這不僅證明了我國在該領域的技術實力，也為未來的科研突破奠定了堅實基礎。

該研究由中國科學院大學牽頭，聯合多所高校協同攻關，整合了粒子物理、探測器技術、數據分析等多領域優勢。這種跨學科合作模式為未來大型科學工程提供了寶貴的合作范式，展現了我國科研力量的強大整合能力。

科研團隊計劃將本次實驗結果融入下一代探測器的設計中，通過優化探測器結構與信號處理算法，進一步提升對輕暗物質的探測效率。

正如項目骨干成員鄭陽恒教授所言：“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。” 這預示著我國在暗物質探測領域將持續發力，為揭示宇宙奧秘做出更大的貢獻。