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当前暗物质研究的重点正逐步转向质量位于 MeV 至 GeV 范围内的假想轻质粒子。这类粒子在实验中仅会产生极其微弱的信号，给探测带来了巨大挑战。
提升轻质暗物质探测灵敏度的一种潜在途径是利用 Migdal 效应：当原子与中性暗物质发生碰撞并瞬时加速时，可能伴随可探测的电子逸出。
然而，尽管 Migdal 效应理论上也可在受控实验中通过中性入射粒子激发，但此前一直缺乏对该效应的直接实验观测，这也使得依赖 Migdal 效应的暗物质探测实验的可靠性受到质疑。
在此，来自华中师范大学的孙向明、南京师范大学的武雷、广西大学的刘宏邦、中国科学院大学的刘倩&郑阳恒等研究者首次在中子–原子核碰撞中直接观测到了 Migdal 效应，并达到了 5σ（五个标准差） 的统计显著性。相关论文以题为“Direct observation of the Migdal effect induced by neutron bombardment”于2026年01月14日发表在Nature上。
暗物质作为一种不可见却能够通过引力与普通物质相互作用的宇宙组成成分，至今仍是现代物理学中最为深刻且尚未解决的谜题之一。
尽管针对弱相互作用大质量粒子（WIMPs）的实验研究已成功逼近“中微子雾”极限，但暗物质的确凿实验证据仍未被发现。
近年来，暗物质研究正逐步拓展其关注范围：全球范围内的实验正在系统探索质量位于 MeV–GeV 区间的暗物质模型。理论研究表明，在这一质量区间内，暗物质通过热产生机制形成是完全可行的。
然而，轻质暗物质所对应的实验信号极其微弱，这对现有探测器的能量阈值提出了更为严苛的要求。尽管吨级实验已将探测阈值降低至约 100 eV，但这一灵敏度仍不足以有效探测轻质暗物质。
应对这一挑战的一种极具前景的新策略是 Migdal 效应。该效应描述了能量从原子核向其外层电子转移的过程：当暗物质或中子等电中性粒子与原子核发生相互作用时，会引起原子核反冲；与此同时，由于原子电子受到激发，还会伴随产生额外的电子反冲。
这一电子反冲分量能够在探测器中产生高于能量阈值的可测信号。Migdal 效应在暗物质直接探测中的理论讨论最早可追溯至 21 世纪初，并曾被用于解释 DAMA 实验数据。
随后，文献 ref. 23 对 Migdal 最初的理论框架进行了重新表述，后续的一系列专门研究进一步揭示了该效应在直接探测中的潜在重要性。
然而，迄今为止，对 Migdal 效应的实验测量仅限于 α 衰变或 β 衰变等核衰变过程；其在核散射过程中的作用，尤其是在电中性入射粒子与原子核相互作用的情形下，仍缺乏直接实验验证。
正因如此，近年来已有多项实验尝试在核散射实验中观测 Migdal 效应，但据研究者所知，尚未有明确的观测结果报道。
尽管如此，已有若干直接探测实验在缺乏实验证据支撑的情况下，依然利用 Migdal 效应拓展了亚 GeV 暗物质的探测灵敏度，而这一现实也在一定程度上削弱了相关结论的可信度。
为了解决这一关键问题，研究者研制了一种专门用于高精度成像核反冲（NR）及 Migdal 电子径迹的气体像素探测器。
该探测器具备宽能量探测范围、优异的顶点分辨能力、低噪声水平以及先进的成像性能，使研究者能够在显著降低本底干扰的前提下，同时识别核反冲事件和 Migdal 电子信号。
在本研究中，研究者首次实现了对 Migdal 效应的直接实验观测。实验中共识别出 6 个信号候选事件，其显著性超过本底反应率 5 个标准差（5σ）。测量结果表明，Migdal 效应截面与核反冲截面之比为
上述结果为在轻质暗物质直接探测实验中利用 Migdal 效应提升探测灵敏度提供了坚实的实验证据，也为相关实验策略的可靠性奠定了重要基础。
图1 气体像素探测器的结构和工作原理示意图。
图2 实验中记录到的一个Migdal事件。
图3 航迹特性分布。
在本文中，研究者首次在中子–原子核散射过程中获得了 Migdal 效应的直接实验证据。这一现象早在 80 多年前即被理论预测，但直到现在才以超过 5σ 的统计显著性得到确认。
该结果为核物理与粒子物理建立了一个关键的实验基准，为后续理论发展与实验研究提供了坚实基础。
通过验证 Migdal 效应的真实存在，研究者弥补了基础相互作用研究中长期存在的实验空白，并为轻质暗物质的探测提供了一条切实可行的新途径。值得注意的是，研究者测得的 Migdal 效应相对截面为：
在实验不确定度范围内与理论预测值 3.9 × 10⁻⁵高度一致。
这一发现在轻质暗物质研究领域具有深远影响。长期以来，Migdal 效应在中性粒子散射中一直被视为一种尚未经实验验证、但可有效提升暗物质探测能力的假设机制。
研究者的研究结果为重新审视和评估相关探测方案提供了坚实依据。未来的工作可在此基础上进一步优化探测策略，有望显著提升暗物质直接探测实验对轻质暗物质的灵敏度。
Yi, D., Liu, Q., Chen, S.et al. Direct observation of the Migdal effect induced by neutron bombardment. Nature 649, 580–583 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09918-8
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09918-8
