中国科学家首次观测米格达尔效应，暗物质探测迎新突破

近日，中国科学院大学（以下简称“国科大”）领衔的科研团队在国际顶级学术期刊Nature上发表了一项具有里程碑意义的研究成果：他们利用自主研发的高精度气体探测装置，在全球范围内首次于核散射实验中直接观测到 87 年前由苏联物理学家阿尔卡季·米格达尔（Arkady Migdal）提出的“米格达尔效应”（Migdal Effect）。这一突破为轻质量暗物质的直接探测提供了关键的实验依据。

图 | 团队论文“通过中子轰击诱发的米格达尔效应的直接观测”（来源：Nature）

暗物质与暗能量被公认为 21 世纪物理学最重大的未解之谜，其探索有望彻底重塑人类对物质世界的认知。然而，轻质量暗物质粒子与原子核发生碰撞时所产生的核反冲信号极其微弱，通常低于现有探测器的能量阈值，使得科学家长期以来难以捕捉其踪迹。而米格达尔效应，正是破解这一难题的关键机制。

1939 年，阿尔卡季·米格达尔提出：当中性粒子（无论是暗物质粒子还是中子）撞击原子核时，原子核会因碰撞而突然加速并反冲，但外围电子云由于惯性无法即时跟随这一运动。这种“滞后”导致原子内部电场发生剧烈扰动，从而有一定概率将电子激发甚至电离。这些被释放出的电子虽然能量不高，却足以被现代探测器识别，形成可测量的信号。

换句话说，米格达尔效应相当于一个天然的“信号放大器”，能将原本难以探测的微弱核反冲转化为清晰的电子信号，从而打开通往轻暗物质探测的大门。

尽管该效应早在 2005 年就被引入暗物质直接探测的理论框架，并在 2018 年由日本物理学家 Masahiro Ibe 等人系统性地重新阐释，此后包括美国 DarkSide、法国 EDELWEISS 在内的多个国际实验也声称借助该效应拓展了对亚 GeV 量级暗物质的探测能力，但一个问题始终悬而未决：米格达尔效应本身从未在中性粒子引发的核散射过程中被直接观测到。

过去，它仅在放射性衰变（如 α 或 β 衰变）中通过“电子震脱”（electron shakeoff）现象获得间接验证。这种缺乏直接实验证据的状态，使得所有依赖米格达尔效应推导出的暗物质限制和结论长期面临质疑——如果该效应并不存在，或其发生概率与理论预测存在显著偏差，那么过去十余年全球暗物质研究的诸多成果或将需要重写，甚至被彻底推翻。

正因如此，国科大团队此次在受控核散射实验中对米格达尔效应的直接观测，不仅填补了关键的实验空白，更夯实了当前暗物质探测理论的基石。

图 | 实验装置及其布局（来源：论文）

在攻克这一难题的过程中，国科大科研团队面临了严峻的技术挑战。米格达尔效应是一种极其罕见的量子过程，其信号极为微弱，极易被环境中大量本底噪声（如伽马射线、宇宙射线及康普顿散射等）所掩盖。要在海量数据中精准捕捉这一转瞬即逝的信号，对探测器的灵敏度、空间分辨能力以及背景抑制性能提出了近乎极限的要求。

为此，团队自主研发了一套基于“微结构气体探测器（GMCP）＋像素读出芯片”组合的超灵敏探测装置。该装置的核心是一块名为 Topmetal-II 的像素读出芯片，其像素尺寸仅为 83 微米，具有极低的等效噪声电荷（约 13.9 个电子）。这种高精度的读出技术使得探测器能够像一台高速、高分辨率的三维相机，清晰地记录下带电粒子在气体中运动的完整径迹。

图 | 探测器机构及其工作原理（来源：论文）

实验中，团队使用紧凑型氘－氘（D-D）中子发生器产生能量为 2.5 MeV 的中子束，轰击探测器内填充的 40% 氦气与 60% 二甲醚（DME）混合气体。

实验设计的重点在于识别一种独特的拓扑结构：当中子与气体原子核发生碰撞并触发米格达尔效应时，探测器应同时记录到两条从同一顶点出发的径迹——一条较短的原子核反冲径迹和一条由米格达尔电子产生的径迹。相比之下，绝大多数背景事件（如单纯的电子反冲或核反冲）通常只产生单条径迹，或虽有多条径迹但不具备“共顶点”特征。

图 | 实验观测到的米格达尔效应（来源：论文）

在两个阶段共计约 150 小时的运行中，团队采集了超过 81.7 万个触发事例。为从中甄别出真实的米格达尔事件，他们开发了一套严谨的数据分析流程：首先利用深度学习算法对径迹图像进行初步分类，剔除明显背景；随后依据严格的拓扑学判据，筛选出具有“共顶点”结构的双径迹事件；最后，通过分析径迹的能量沉积密度和几何形态（如圆度等），进一步区分电子径迹与核反冲径迹。

经过层层筛选，团队最终锁定了6个高度可信的候选事例。这些事例清晰呈现出原子核反冲与米格达尔电子从同一点发出的特征，其运动学参数与理论预测高度吻合。统计分析显示，该观测结果的显著性超过5 倍标准差（5σ）——在粒子物理学中，这被视为确认新现象发现的黄金标准，意味着信号由背景涨落偶然产生的概率低于三百五十万分之一。米格达尔效应的存在，由此得到确凿证实。

更为重要的是，团队不仅实现了对该效应的定性观测，还首次对其发生概率进行了定量测量。在核反冲能量大于 35 keVee、对应米格达尔电子能量介于 5 至 10 keV 的区间内，实验测得的米格达尔效应截面与原子核弹性散射截面之比为 (4.9+2.6/-1.9)×10⁻⁵。这一结果与当前最先进理论模型的预测在误差范围内高度一致。

该一致性不仅验证了米格达尔原始理论的正确性，也表明现有理论在处理多电子原子体系在非绝热扰动下的响应行为时具备足够的可靠性。这一成果为未来暗物质直接探测实验，尤其是依赖米格达尔效应搜寻轻质量暗物质的研究，提供了坚实的物理基础和关键的校准依据。

锦屏 CDEX 暗物质实验负责人岳骞教授对此评价称，该成果不仅填补了实验验证米格达尔效应的长期空白，巩固了相关理论基础，更充分体现了国内高品质气体探测技术的能力，为轻质量暗物质探测的应用迈出了坚实的第一步。

国科大物理科学学院教授、研究团队成员郑阳恒表示，未来，他们工作重点将是把这一实验验证的成果与具体的暗物质探测实验相结合。目前，团队正计划与国内外的暗物质探测团队展开合作，将米格达尔效应的精确测量参数融入下一代探测器的研发与数据分析中。这将有助于更准确地评估探测器的灵敏度，并可能通过优化探测介质和读出策略，进一步提升对特定质量区间暗物质粒子的捕获能力。