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近日，由中國(guó)科學(xué)院大學(xué)牽頭，聯(lián)合廣西大學(xué)等多所高校組成的科研攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，首次直接觀(guān)測(cè)到原子核被中子撞擊激發(fā)的米格達(dá)爾效應(yīng)，這是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)物理領(lǐng)域取得的重要突破。成果于北京時(shí)間1月15日在《Nature》正刊上發(fā)表。第一作者為中國(guó)科學(xué)院大學(xué)與廣西大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)的博士研究生易滌凡，廣西大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院劉宏邦教授是共同通訊作者。據(jù)悉，此次研究中，廣西大學(xué)空間粒子探測(cè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)核心探測(cè)器研發(fā)以及提供探測(cè)器測(cè)試和驗(yàn)證平臺(tái)，為成果突破提供了關(guān)鍵支撐。
研討會(huì)現(xiàn)場(chǎng)?？萍既?qǐng)?bào)記者 韋秋瑩 攝
暗物質(zhì)提出源于天文觀(guān)測(cè)中的異常引力現(xiàn)象，它不參與電磁相互作用，即不發(fā)光，因此被形象的稱(chēng)為暗物質(zhì)。它占比約85%宇宙質(zhì)量，卻一直保持神秘。此前，全球科學(xué)界聚焦于GeV量級(jí)的大質(zhì)量暗物質(zhì)粒子（WIMP粒子）探測(cè)，但始終未獲直接證據(jù)。近年來(lái)，質(zhì)量介于兆電子伏特（MeV）至千兆電子伏特（GeV）之間的低質(zhì)量暗物質(zhì)，因受太陽(yáng)中微子等本底干擾較小，成為新的研究熱點(diǎn)。而20世紀(jì)40年代由理論物理學(xué)家阿爾卡季?米格達(dá)爾提出的米格達(dá)爾效應(yīng)，被認(rèn)為是突破低質(zhì)量暗物質(zhì)探測(cè)閾值的關(guān)鍵機(jī)制之一，該效應(yīng)描述了原子核受擾動(dòng)反沖時(shí)，原子內(nèi)層電子產(chǎn)生非絕熱響應(yīng)并被激發(fā)或電離的物理過(guò)程，但長(zhǎng)期以來(lái)缺乏直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
探測(cè)器結(jié)構(gòu)與工作原理。廣西大學(xué)供圖
為破解這一難題，科研團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性構(gòu)建了中子束流實(shí)驗(yàn)體系，結(jié)合高顆粒度二維像素探測(cè)技術(shù)，成功捕捉到清晰的米格達(dá)爾效應(yīng)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)歷時(shí)約150小時(shí)，最終從近百萬(wàn)個(gè)事件中篩選出6個(gè)符合標(biāo)準(zhǔn)的候選事件，統(tǒng)計(jì)顯著性超過(guò)5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，達(dá)到粒子物理領(lǐng)域“發(fā)現(xiàn)”的公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)。團(tuán)隊(duì)還精確測(cè)量出米格達(dá)爾效應(yīng)截面與原子核反沖截面的比值為（4.9±1.9/+2.6）×10^-5，與3.9×10^-5的理論預(yù)測(cè)在誤差范圍內(nèi)保持一致，為該效應(yīng)在暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)中的可靠性提供了堅(jiān)實(shí)數(shù)據(jù)支撐。
此外，實(shí)驗(yàn)采用國(guó)產(chǎn)化氣體像素探測(cè)方案，具備超低能閾、高空間分辨率和優(yōu)異的二維成像能力，能夠精準(zhǔn)區(qū)分極低能電子信號(hào)與復(fù)雜本底，是實(shí)現(xiàn)本次突破性觀(guān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。其核心探測(cè)器、讀出電子學(xué)、像素芯片及數(shù)據(jù)處理方法，由廣西大學(xué)牽頭，聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、華中師范大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所等單位組成的合作團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)，構(gòu)建了完整、自主可控的技術(shù)體系。此次基礎(chǔ)物理領(lǐng)域米格達(dá)爾效應(yīng)的重要發(fā)現(xiàn)，為下一步的輕暗物質(zhì)粒子直接探測(cè)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和探測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)。
