華大在線(xiàn)訊（通訊員 孫向明 汪聰）近日，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表一項(xiàng)重大物理突破——中國(guó)科學(xué)院大學(xué)領(lǐng)銜聯(lián)合廣西大學(xué)、華中師范大學(xué)等多所高校科研團(tuán)隊(duì)協(xié)同攻關(guān)，首次成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)蘇聯(lián)科學(xué)家于80余年前預(yù)言的“米格達(dá)爾（Migdal）效應(yīng)”的直接實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)。這一成果為輕暗物質(zhì)探測(cè)突破閾值瓶頸提供了關(guān)鍵支撐，實(shí)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(xué)PLAC實(shí)驗(yàn)室自主研制。我校為該研究的核心合作單位之一，物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)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(dá)爾效應(yīng)由蘇聯(lián)物理學(xué)家阿爾卡季·米格達(dá)爾于1939年提出，描述了原子核反沖時(shí)通過(guò)電場(chǎng)變化將能量轉(zhuǎn)移給核外電子、形成“共頂點(diǎn)”帶電徑跡的物理過(guò)程。這一效應(yīng)被認(rèn)為是突破輕暗物質(zhì)探測(cè)閾值的重要路徑，但中性粒子碰撞中的該效應(yīng)長(zhǎng)期缺乏直接實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，成為制約相關(guān)暗物質(zhì)探測(cè)研究的關(guān)鍵瓶頸。

實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)記錄到的一個(gè)米格達(dá)爾（Migdal）效應(yīng)事件

此次實(shí)驗(yàn)的核心挑戰(zhàn)是精準(zhǔn)捕捉“原子核反沖-米格達(dá)爾電子”的微弱共頂點(diǎn)軌跡。華中師范大學(xué)PLAC實(shí)驗(yàn)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(cè)范圍的核心優(yōu)勢(shì)，為實(shí)驗(yàn)提供了關(guān)鍵的信號(hào)讀出解決方案。作為超靈敏探測(cè)裝置的“信號(hào)捕捉”核心，該芯片能將氣體探測(cè)器中的微弱電荷信號(hào)轉(zhuǎn)化為清晰數(shù)字化軌跡，精準(zhǔn)區(qū)分原子核反沖與電子反沖信號(hào)，從復(fù)雜背景中成功識(shí)別出稀缺的米格達(dá)爾事件。

緊湊型D-D中子發(fā)生器、探測(cè)器及實(shí)驗(yàn)布局

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

作為華中師范大學(xué)PLAC實(shí)驗(yàn)室的核心研發(fā)成果，Topmetal系列芯片長(zhǎng)期聚焦高能物理探測(cè)領(lǐng)域的“卡脖子”技術(shù)攻關(guān)，已形成從芯片設(shè)計(jì)、流片驗(yàn)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(guò)高分辨率像素陣列實(shí)時(shí)捕捉傳輸微弱信號(hào)，結(jié)合專(zhuān)用數(shù)據(jù)處理算法，從近百萬(wàn)條記錄事件中篩選出6個(gè)明確的米格達(dá)爾候選事件，以5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的統(tǒng)計(jì)顯著性證實(shí)該效應(yīng)存在，測(cè)得的米格達(dá)爾截面與核反沖截面比值與理論預(yù)測(cè)高度吻合，該芯片在米格達(dá)爾效應(yīng)觀(guān)測(cè)中的成功應(yīng)用，驗(yàn)證了其在極端微弱信號(hào)探測(cè)場(chǎng)景下的可靠性與先進(jìn)性，彰顯了我國(guó)在高端探測(cè)芯片領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力。

華師PLAC實(shí)驗(yàn)室像素讀出芯片Topmetal-II

孫向明表示：“芯片是高端探測(cè)裝備的‘心臟’，團(tuán)隊(duì)將以此次突破為契機(jī)，持續(xù)深化Topmetal系列芯片的技術(shù)迭代，進(jìn)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(cè)實(shí)驗(yàn)、高能物理實(shí)驗(yàn)及核醫(yī)療影像等領(lǐng)域提供更具競(jìng)爭(zhēng)力的核心器件支持，助力我國(guó)在基礎(chǔ)物理研究與先進(jìn)探測(cè)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）