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北京時(shí)間1月15日，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表一項(xiàng)重大突破，由中國(guó)科學(xué)院大學(xué)主導(dǎo)，聯(lián)合廣西大學(xué)、華中師范大學(xué)等多個(gè)單位組成的科研團(tuán)隊(duì)，首次直接觀(guān)測(cè)到中子碰撞中的米格達(dá)爾效應(yīng)，這一成果為人類(lèi)搜尋輕暗物質(zhì)粒子打開(kāi)關(guān)鍵突破口。
這一重大發(fā)現(xiàn)的背后，離不開(kāi)廣西大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的高性能“原子照相機(jī)”。研究論文的共同第一作者是中國(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)院院長(zhǎng)劉宏邦教授是共同通信作者。
米格達(dá)爾效應(yīng)有多重要
暗物質(zhì)被稱(chēng)作宇宙的“隱形骨架”，占宇宙物質(zhì)總量的85%，卻因不發(fā)光、不參與電磁相互作用，像幽靈般難以捉摸。長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家們?cè)诎滴镔|(zhì)探測(cè)領(lǐng)域?qū)覍遗霰冢绕湓谳p暗物質(zhì)（質(zhì)量介于兆電子伏特至千兆電子伏特區(qū)間）探測(cè)上，因信號(hào)微弱始終難以突破閾值瓶頸。
科學(xué)家們認(rèn)為，破解這一困境的希望，藏在一個(gè)80多年前的理論預(yù)言里。1939年，蘇聯(lián)物理學(xué)家阿爾卡季·米格達(dá)爾提出，當(dāng)粒子撞擊原子核時(shí)，原子核反沖過(guò)程中會(huì)將部分能量傳遞給核外電子，讓電子掙脫原子束縛，形成“共頂點(diǎn)”的兩條帶電軌跡。這就像人走路絆倒時(shí)，身體前傾的同時(shí)，口袋里的鑰匙被甩出去，原本“不可探測(cè)”的低能核反沖信號(hào)，就此轉(zhuǎn)化為“可捕捉”的電子信號(hào)。
可多年來(lái)，中性粒子碰撞場(chǎng)景下的米格達(dá)爾效應(yīng)始終缺乏直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)，讓依賴(lài)該效應(yīng)的暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)，飽受“理論無(wú)實(shí)證”的質(zhì)疑。
此次觀(guān)測(cè)的成功，不僅證實(shí)了米格達(dá)爾效應(yīng)的真實(shí)性，也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)，同時(shí)還首次測(cè)量了該效應(yīng)截面與原子核反沖截面的比值，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。
廣西造“原子相機(jī)”立大功
此次實(shí)驗(yàn)的成功，離不開(kāi)一臺(tái)能“抓拍”原子運(yùn)動(dòng)的超靈敏探測(cè)裝置。而這臺(tái)被科研人員稱(chēng)為“原子相機(jī)”的設(shè)備，正是由廣西大學(xué)團(tuán)隊(duì)牽頭研發(fā)，團(tuán)隊(duì)同時(shí)還承擔(dān)了探測(cè)器測(cè)試和驗(yàn)證平臺(tái)的搭建工作。
實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的米格達(dá)爾效應(yīng)事例展示。廣西大學(xué)供圖
帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)的劉宏邦教授也是項(xiàng)目探測(cè)組組長(zhǎng)，他介紹，這臺(tái)“相機(jī)”本領(lǐng)非凡，憑借極高的空間分辨率和極低噪聲水平，能從伽馬射線(xiàn)、宇宙射線(xiàn)等復(fù)雜背景干擾中，精準(zhǔn)鎖定原子核反沖與電子脫離形成的獨(dú)特軌跡，就像在喧鬧的人群中一眼認(rèn)出目標(biāo)人物。
這項(xiàng)研究和廣西的緣分不止于此。中國(guó)科學(xué)院大學(xué)副校長(zhǎng)、合作組總協(xié)調(diào)人鄭陽(yáng)恒教授也與廣西有著深厚淵源，他的父親鄭志鵬是廣西寧明縣人，也是知名粒子物理學(xué)家，曾任廣西大學(xué)校長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所所長(zhǎng)。鄭陽(yáng)恒介紹，他的父親一直很支持這項(xiàng)研究，還為他們提出了各種建議，但父親于2025年底去世，沒(méi)能看到最終研究結(jié)果的發(fā)布。劉宏邦是鄭陽(yáng)恒培養(yǎng)的第一位博士生，這份跨越兩代人的學(xué)術(shù)羈絆，為科研攻關(guān)提供了強(qiáng)大的凝聚力。
廣西團(tuán)隊(duì)“十年磨一劍”
廣西造的“相機(jī)”并非一蹴而就，而是廣西大學(xué)團(tuán)隊(duì)10多年來(lái)不斷探索的結(jié)晶。早在2013年，團(tuán)隊(duì)就瞄準(zhǔn)X射線(xiàn)偏振探測(cè)技術(shù)發(fā)力，幾年后就牽頭成立宇宙X射線(xiàn)偏振探測(cè)合作組，開(kāi)啟了探測(cè)器技術(shù)的攻關(guān)之路。最初，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)嘗試了三種不同技術(shù)方案，經(jīng)過(guò)了無(wú)數(shù)次試錯(cuò)、迭代的艱辛，最終才確定采用“氣體微通道板+像素芯片讀出”的方式，并在2023年研制完成。
“我們每周至少開(kāi)1到2次組會(huì)，遇到問(wèn)題就隨時(shí)連線(xiàn)討論，有時(shí)凌晨一點(diǎn)還在開(kāi)會(huì)破解難題?！眲⒑臧罱淌诨貞?，團(tuán)隊(duì)成員曾帶著設(shè)備在蘭州低溫環(huán)境中連軸轉(zhuǎn)進(jìn)行調(diào)試，有人感冒發(fā)燒仍堅(jiān)守崗位，正是這份執(zhí)著讓技術(shù)不斷突破。2023年，基于該技術(shù)的CXPD01立方星成功發(fā)射，完成空間飛行驗(yàn)證。這時(shí)，團(tuán)隊(duì)意外發(fā)現(xiàn)，這套為觀(guān)測(cè)伽馬暴等天體現(xiàn)象設(shè)計(jì)的探測(cè)器，其高靈敏二維成像能力與米格達(dá)爾效應(yīng)探測(cè)需求高度契合。2025年，CXPD02至04三顆立方星接連升空，持續(xù)拓展技術(shù)應(yīng)用邊界。
探測(cè)器結(jié)構(gòu)與工作原理。廣西大學(xué)供圖
廣西大學(xué)的科教融合培養(yǎng)模式，則為團(tuán)隊(duì)注入了鮮活動(dòng)力。廣西大學(xué)副校長(zhǎng)、合作組成員梁恩維教授介紹，該校搭建跨學(xué)科合作平臺(tái)，聯(lián)合其他高校，整合芯片研發(fā)、電子學(xué)設(shè)計(jì)等多方資源，形成全鏈條國(guó)產(chǎn)化研發(fā)體系；同時(shí)，學(xué)校設(shè)立集成電路相關(guān)本科及碩士專(zhuān)業(yè)，讓學(xué)生深度參與科研項(xiàng)目，在實(shí)踐中錘煉本領(lǐng)，形成了“老中青結(jié)合、以青年為骨干”的科研梯隊(duì)。
科研路上有青春的堅(jiān)守
作為論文的共同第一作者，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)與廣西大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)的博士生易滌凡，全程參與了探測(cè)器優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)實(shí)施和數(shù)據(jù)分析。易滌凡說(shuō)：“最難忘的是在蘭州的實(shí)驗(yàn)室，大家調(diào)試了一個(gè)星期的儀器之后，擠在實(shí)驗(yàn)室旁邊一間小小的觀(guān)測(cè)室，一起盯著屏幕，當(dāng)?shù)谝粭l清晰軌跡出現(xiàn)時(shí)，我們一起歡呼鼓掌?！币诇旆舱f(shuō)，科研雖有枯燥和挫折，但攻克難題后的幸福感，是任何獎(jiǎng)勵(lì)都無(wú)法替代的。
2025年底，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)部分成員合影，第二排右二為易滌凡 ，第一排左二為劉宏邦。受訪(fǎng)者供圖
劉宏邦教授則對(duì)團(tuán)隊(duì)里的年輕人贊不絕口：“我們是一個(gè)平均年齡30歲以下的團(tuán)隊(duì)，年輕人總能帶來(lái)驚喜。他們主動(dòng)引入人工智能技術(shù)處理數(shù)據(jù)，用創(chuàng)新思路破解難題，是這項(xiàng)成果的重要功臣?！眲⒑臧罱淌诮榻B，團(tuán)隊(duì)還給自己取了“Marvel”的名字，這既是某知名漫畫(huà)公司的名字，也有“不平凡的成果”的含義，他自己也很喜歡這個(gè)展現(xiàn)了他們科研人浪漫的名字。
目前，團(tuán)隊(duì)已開(kāi)啟新一輪攻關(guān)計(jì)劃?！拔覀儸F(xiàn)在只是解決了‘有沒(méi)有’的問(wèn)題，接下來(lái)要拓展對(duì)不同元素的米格達(dá)爾效應(yīng)觀(guān)測(cè)，優(yōu)化探測(cè)器性能，還要和暗物質(zhì)探測(cè)團(tuán)隊(duì)合作，將成果融入下一代探測(cè)器研發(fā)?！眲⒑臧畋硎荆磥?lái)團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)深耕高端探測(cè)技術(shù)，力爭(zhēng)在輕暗物質(zhì)探測(cè)、中微子探測(cè)等領(lǐng)域取得更多突破，讓廣西科研力量在國(guó)際前沿舞臺(tái)持續(xù)發(fā)聲。
