中國科學家首次觀測米格達爾效應，暗物質探測迎新突破

近日，中國科學院大學（以下簡稱“國科大”）領銜的科研團隊在國際頂級學術期刊Nature上發表了一項具有里程碑意義的研究成果：他們利用自主研發的高精度氣體探測裝置，在全球范圍內首次于核散射實驗中直接觀測到 87 年前由蘇聯物理學家阿爾卡季·米格達爾（Arkady Migdal）提出的“米格達爾效應”（Migdal Effect）。這一突破為輕質量暗物質的直接探測提供了關鍵的實驗依據。

圖 | 團隊論文“通過中子轟擊誘發的米格達爾效應的直接觀測”（來源：Nature）

暗物質與暗能量被公認為 21 世紀物理學最重大的未解之謎，其探索有望徹底重塑人類對物質世界的認知。然而，輕質量暗物質粒子與原子核發生碰撞時所產生的核反沖信號極其微弱，通常低于現有探測器的能量閾值，使得科學家長期以來難以捕捉其蹤跡。而米格達爾效應，正是破解這一難題的關鍵機制。

1939 年，阿爾卡季·米格達爾提出：當中性粒子（無論是暗物質粒子還是中子）撞擊原子核時，原子核會因碰撞而突然加速并反沖，但外圍電子云由于慣性無法即時跟隨這一運動。這種“滯后”導致原子內部電場發生劇烈擾動，從而有一定概率將電子激發甚至電離。這些被釋放出的電子雖然能量不高，卻足以被現代探測器識別，形成可測量的信號。

換句話說，米格達爾效應相當于一個天然的“信號放大器”，能將原本難以探測的微弱核反沖轉化為清晰的電子信號，從而打開通往輕暗物質探測的大門。

盡管該效應早在 2005 年就被引入暗物質直接探測的理論框架，并在 2018 年由日本物理學家 Masahiro Ibe 等人系統性地重新闡釋，此后包括美國 DarkSide、法國 EDELWEISS 在內的多個國際實驗也聲稱借助該效應拓展了對亞 GeV 量級暗物質的探測能力，但一個問題始終懸而未決：米格達爾效應本身從未在中性粒子引發的核散射過程中被直接觀測到。

過去，它僅在放射性衰變（如 α 或 β 衰變）中通過“電子震脫”（electron shakeoff）現象獲得間接驗證。這種缺乏直接實驗證據的狀態，使得所有依賴米格達爾效應推導出的暗物質限制和結論長期面臨質疑——如果該效應并不存在，或其發生概率與理論預測存在顯著偏差，那么過去十余年全球暗物質研究的諸多成果或將需要重寫，甚至被徹底推翻。

正因如此，國科大團隊此次在受控核散射實驗中對米格達爾效應的直接觀測，不僅填補了關鍵的實驗空白，更夯實了當前暗物質探測理論的基石。

圖 | 實驗裝置及其布局（來源：論文）

在攻克這一難題的過程中，國科大科研團隊面臨了嚴峻的技術挑戰。米格達爾效應是一種極其罕見的量子過程，其信號極為微弱，極易被環境中大量本底噪聲（如伽馬射線、宇宙射線及康普頓散射等）所掩蓋。要在海量數據中精準捕捉這一轉瞬即逝的信號，對探測器的靈敏度、空間分辨能力以及背景抑制性能提出了近乎極限的要求。

為此，團隊自主研發了一套基于“微結構氣體探測器（GMCP）＋像素讀出芯片”組合的超靈敏探測裝置。該裝置的核心是一塊名為 Topmetal-II 的像素讀出芯片，其像素尺寸僅為 83 微米，具有極低的等效噪聲電荷（約 13.9 個電子）。這種高精度的讀出技術使得探測器能夠像一臺高速、高分辨率的三維相機，清晰地記錄下帶電粒子在氣體中運動的完整徑跡。

圖 | 探測器機構及其工作原理（來源：論文）

實驗中，團隊使用緊湊型氘－氘（D-D）中子發生器產生能量為 2.5 MeV 的中子束，轟擊探測器內填充的 40% 氦氣與 60% 二甲醚（DME）混合氣體。

實驗設計的重點在于識別一種獨特的拓撲結構：當中子與氣體原子核發生碰撞并觸發米格達爾效應時，探測器應同時記錄到兩條從同一頂點出發的徑跡——一條較短的原子核反沖徑跡和一條由米格達爾電子產生的徑跡。相比之下，絕大多數背景事件（如單純的電子反沖或核反沖）通常只產生單條徑跡，或雖有多條徑跡但不具備“共頂點”特征。

圖 | 實驗觀測到的米格達爾效應（來源：論文）

在兩個階段共計約 150 小時的運行中，團隊采集了超過 81.7 萬個觸發事例。為從中甄別出真實的米格達爾事件，他們開發了一套嚴謹的數據分析流程：首先利用深度學習算法對徑跡圖像進行初步分類，剔除明顯背景；隨后依據嚴格的拓撲學判據，篩選出具有“共頂點”結構的雙徑跡事件；最后，通過分析徑跡的能量沉積密度和幾何形態（如圓度等），進一步區分電子徑跡與核反沖徑跡。

經過層層篩選，團隊最終鎖定了6個高度可信的候選事例。這些事例清晰呈現出原子核反沖與米格達爾電子從同一點發出的特征，其運動學參數與理論預測高度吻合。統計分析顯示，該觀測結果的顯著性超過5 倍標準差（5σ）——在粒子物理學中，這被視為確認新現象發現的黃金標準，意味著信號由背景漲落偶然產生的概率低于三百五十萬分之一。米格達爾效應的存在，由此得到確鑿證實。

更為重要的是，團隊不僅實現了對該效應的定性觀測，還首次對其發生概率進行了定量測量。在核反沖能量大于 35 keVee、對應米格達爾電子能量介于 5 至 10 keV 的區間內，實驗測得的米格達爾效應截面與原子核彈性散射截面之比為 (4.9+2.6/-1.9)×10??。這一結果與當前最先進理論模型的預測在誤差范圍內高度一致。

該一致性不僅驗證了米格達爾原始理論的正確性，也表明現有理論在處理多電子原子體系在非絕熱擾動下的響應行為時具備足夠的可靠性。這一成果為未來暗物質直接探測實驗，尤其是依賴米格達爾效應搜尋輕質量暗物質的研究，提供了堅實的物理基礎和關鍵的校準依據。

錦屏 CDEX 暗物質實驗負責人岳騫教授對此評價稱，該成果不僅填補了實驗驗證米格達爾效應的長期空白，鞏固了相關理論基礎，更充分體現了國內高品質氣體探測技術的能力，為輕質量暗物質探測的應用邁出了堅實的第一步。

國科大物理科學學院教授、研究團隊成員鄭陽恒表示，未來，他們工作重點將是把這一實驗驗證的成果與具體的暗物質探測實驗相結合。目前，團隊正計劃與國內外的暗物質探測團隊展開合作，將米格達爾效應的精確測量參數融入下一代探測器的研發與數據分析中。這將有助于更準確地評估探測器的靈敏度，并可能通過優化探測介質和讀出策略，進一步提升對特定質量區間暗物質粒子的捕獲能力。