實(shí)驗(yàn)背景與意義

暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)近年聚焦于質(zhì)量在MeV至GeV范圍的輕暗物質(zhì)粒子。此類粒子信號(hào)微弱，Migdal效應(yīng)成為增強(qiáng)探測(cè)靈敏度的關(guān)鍵機(jī)制——當(dāng)暗物質(zhì)或中子與原子核碰撞時(shí)，核反沖過程伴隨的原子電子激發(fā)會(huì)產(chǎn)生可探測(cè)的電子信號(hào)。盡管該效應(yīng)自20世紀(jì)30年代由Migdal提出，且在暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)中廣泛應(yīng)用，但其在核散射過程中的直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)始終缺失。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與技術(shù)突破

研究團(tuán)隊(duì)研制了基于氦氣-二甲醚（DME）混合氣體的像素探測(cè)器，采用83微米像素尺寸的Topmetal-II芯片實(shí)現(xiàn)高精度徑跡成像。探測(cè)器配備鈹窗、氣體微通道板（GMCP）和電荷敏感像素陣列，等效噪聲電荷低至13.9e^?。通過D-D中子發(fā)生器產(chǎn)生2.5 MeV中子束流轟擊氣體，利用徑跡拓?fù)涮卣鳎ê朔礇_與電子反沖共頂點(diǎn)）識(shí)別Migdal事件。

事件選擇與背景抑制

通過YOLOv8算法識(shí)別徑跡，結(jié)合能量沉積密度（dE/dX）和圓形度參數(shù)區(qū)分核反沖（NR）與電子反沖（ER）。設(shè)定NR能量閾值>35 keVee，ER能量窗口為5–10 keV，頂點(diǎn)距離小于200微米。從81.7萬條事件中篩選出6個(gè)Migdal候選事件，其徑跡特征分布顯示NR與ER在dE/dX-圓形度二維空間中明顯分離。

背景分析

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)評(píng)估了反沖誘導(dǎo)δ電子、隨機(jī)徑跡符合、中子活化、宇宙線μ子誘發(fā)背景等主要本底來源。通過蒙特卡羅模擬與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)分析，總本底期望值為0.229±0.032（統(tǒng)計(jì)）±0.043（系統(tǒng)），顯著低于信號(hào)計(jì)數(shù)。其中最大本底貢獻(xiàn)來自中子束流相關(guān)的光電子與康普頓電子偶然符合。

理論驗(yàn)證與截面測(cè)量

基于Star-XP模擬框架，計(jì)算Migdal微分截面與核反沖截面比值。實(shí)驗(yàn)測(cè)得比值為(4.9_-1.9^+2.6)×10^?5，與理論預(yù)測(cè)值3.9×10^?5在誤差范圍內(nèi)一致。剖面似然分析顯示信號(hào)顯著性超過5σ，證實(shí)觀測(cè)到Migdal效應(yīng)。

結(jié)論與展望

本研究首次在中子-核散射中直接驗(yàn)證Migdal效應(yīng)，解決了數(shù)十年的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證難題。研究成果為暗物質(zhì)探測(cè)提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)，尤其推動(dòng)亞GeV暗物質(zhì)搜索的靈敏度提升。未來可基于此技術(shù)優(yōu)化探測(cè)器設(shè)計(jì)，拓展至氙、氬等重型靶核材料，進(jìn)一步探索低質(zhì)量暗物質(zhì)與核子的相互作用機(jī)制。