87年前量子力学预言获证实

金萌

科技日报记者 陆成宽
利用自主研发的专用气体探测器和像素读出芯片，由中国科学院大学主导的联合研究团队，首次在实验中直接观测到中子与原子核碰撞过程中的米格达尔效应，不仅证实了87年前的量子力学预言，也为搜寻宇宙中更轻的暗物质粒子提供了关键实验依据。相关研究成果15日发表于《自然》杂志。
暗物质是宇宙物质总量中占比约85%的神秘物质，它不发光、不发热，却凭借强大的引力影响着星系运动。长期以来，科学家都将探测暗物质的重点放在弱相互作用大质量粒子这一假设粒子上。尽管多个暗物质探测实验不断刷新灵敏度极限，但至今仍未发现暗物质存在的直接证据。
因此，越来越多的科学家将目光投向更轻的暗物质粒子。然而，这些粒子与普通物质的相互作用极其微弱，产生的信号远低于现有探测器的灵敏度下限，传统探测方法几乎无能为力。
                          苏联物理学家阿尔卡季·米格达尔于1939年提出的米格达尔效应，为突破困局带来了希望。该效应描述了一种量子现象：粒子撞击原子核时，可能把部分能量传递给核外的电子，使得电子可能脱离原子核束缚。这一过程可将原本难以探测的微弱信号转化为可观测的电信号，为捕捉轻暗物质提供了可能。
“米格达尔效应被认为是突破轻暗物质探测能量阈值的关键理论路径。但80多年来，中性粒子碰撞中的米格达尔效应始终未被实验直接证实，这也使得依赖该效应的暗物质探测实验，始终面临理论假设缺乏实验支撑的质疑。”论文通讯作者、中国科学院大学教授郑阳恒说。
在这项研究中，研究团队成功捕捉到中子与原子核作用时出现的米格达尔效应事例，统计显著性超过5倍标准差，达到物理学“发现”标准；同时精准测量出了米格达尔效应截面与原子核反冲截面的比值。
郑阳恒表示，这项研究突破了轻暗物质探测中长期存在的阈值瓶颈，未来国际暗物质探测实验可利用该效应提升信号识别精度，扩展暗物质探测区间。