華大在線訊（通訊員 孫向明 汪聰）近日，國際頂級學術(shù)期刊《自然》發(fā)表一項重大物理突破——中國科學院大學領(lǐng)銜聯(lián)合廣西大學、華中師范大學等多所高校科研團隊協(xié)同攻關(guān)，首次成功實現(xiàn)了對蘇聯(lián)科學家于80余年前預言的“米格達爾（Migdal）效應”的直接實驗觀測。這一成果為輕暗物質(zhì)探測突破閾值瓶頸提供了關(guān)鍵支撐，實現(xiàn)該突破的核心硬件——像素讀出芯片Topmetal-II，由華中師范大學PLAC實驗室自主研制。我校為該研究的核心合作單位之一，物理科學與技術(shù)學院孫向明教授、王東教授和高超嵩教授參與研究，孫向明為共同通訊作者。

米格達爾效應由蘇聯(lián)物理學家阿爾卡季·米格達爾于1939年提出，描述了原子核反沖時通過電場變化將能量轉(zhuǎn)移給核外電子、形成“共頂點”帶電徑跡的物理過程。這一效應被認為是突破輕暗物質(zhì)探測閾值的重要路徑，但中性粒子碰撞中的該效應長期缺乏直接實驗驗證，成為制約相關(guān)暗物質(zhì)探測研究的關(guān)鍵瓶頸。

實驗觀測記錄到的一個米格達爾（Migdal）效應事件

此次實驗的核心挑戰(zhàn)是精準捕捉“原子核反沖-米格達爾電子”的微弱共頂點軌跡。華中師范大學PLAC實驗室研發(fā)的Topmetal-II像素讀出芯片，以其低噪聲（等效噪聲電荷僅13.9 e?）、高位置分辨率（200 μm）及寬能量探測范圍的核心優(yōu)勢，為實驗提供了關(guān)鍵的信號讀出解決方案。作為超靈敏探測裝置的“信號捕捉”核心，該芯片能將氣體探測器中的微弱電荷信號轉(zhuǎn)化為清晰數(shù)字化軌跡，精準區(qū)分原子核反沖與電子反沖信號，從復雜背景中成功識別出稀缺的米格達爾事件。

緊湊型D-D中子發(fā)生器、探測器及實驗布局

“微結(jié)構(gòu)氣體探測器+像素讀出芯片”探測器系統(tǒng)

作為華中師范大學PLAC實驗室的核心研發(fā)成果，Topmetal系列芯片長期聚焦高能物理探測領(lǐng)域的“卡脖子”技術(shù)攻關(guān)，已形成從芯片設計、流片驗證到系統(tǒng)集成的完整技術(shù)體系。此次Topmetal-II像素讀出芯片通過高分辨率像素陣列實時捕捉傳輸微弱信號，結(jié)合專用數(shù)據(jù)處理算法，從近百萬條記錄事件中篩選出6個明確的米格達爾候選事件，以5個標準差的統(tǒng)計顯著性證實該效應存在，測得的米格達爾截面與核反沖截面比值與理論預測高度吻合，該芯片在米格達爾效應觀測中的成功應用，驗證了其在極端微弱信號探測場景下的可靠性與先進性，彰顯了我國在高端探測芯片領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力。

華師PLAC實驗室像素讀出芯片Topmetal-II

孫向明表示：“芯片是高端探測裝備的‘心臟’，團隊將以此次突破為契機，持續(xù)深化Topmetal系列芯片的技術(shù)迭代，進一步提升芯片的抗輻照性能、能量分辨率與集成度，為下一代暗物質(zhì)探測實驗、高能物理實驗及核醫(yī)療影像等領(lǐng)域提供更具競爭力的核心器件支持，助力我國在基礎物理研究與先進探測技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)從'跟跑'到'領(lǐng)跑'的跨越?！?/span>

（審讀人：秦廣友）