近日，煙臺(tái)大學(xué)祝斌教授與北京化工大學(xué)梁正良老師、南京師范大學(xué)武雷教授、蘇亮亮博士在暗物質(zhì)直接探測(cè)領(lǐng)域取得了重要研究突破，顯著提升了輕暗物質(zhì)的探測(cè)靈敏度。該研究成果以“Probing Sub-GeV Dark Matter via Plasmon Excitations in Semiconductor Detectors”（“通過(guò)半導(dǎo)體等離激元探測(cè)輕暗物質(zhì)”）為題，發(fā)表于國(guó)際物理學(xué)頂級(jí)期刊《Physical Review Letters》（《物理評(píng)論快報(bào)》），祝斌教授為共同通訊作者。
當(dāng)我們?cè)谝雇砟曅强眨壑械暮阈恰⑿窍岛托行侵皇钦麄€(gè)宇宙的冰山一角，更多的部分隱藏在黑暗之中，這就是神秘的暗物質(zhì)。暗物質(zhì)不發(fā)光、不與電磁波發(fā)生作用，難以被探測(cè)，卻占據(jù)宇宙總質(zhì)量約85%，并通過(guò)引力對(duì)宇宙的結(jié)構(gòu)和演化產(chǎn)生著重要影響。然而，目前世界上有關(guān)“暗物質(zhì)”的研究了解仍非常有限，被視為21世紀(jì)物理學(xué)的重大謎題之一。
“傳統(tǒng)方法主要尋找較重的暗物質(zhì)粒子，始終沒(méi)有突破。然而，更輕的暗物質(zhì)撞擊探測(cè)器時(shí)能量太小，常規(guī)設(shè)備無(wú)法捕捉。”祝斌介紹。然而，當(dāng)暗物質(zhì)以接近光速的速度撞擊固體材料時(shí)，會(huì)引發(fā)材料中的“等離子體共振”，這種“共振”可以被高精度探測(cè)器捕捉到，從而直接證明暗物質(zhì)的存在。
基于此，祝斌及其研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于等離子體激元共振增強(qiáng)的新型探測(cè)方法，能顯著提升半導(dǎo)體探測(cè)器對(duì)輕暗物質(zhì)的靈敏度，尤其適用于被宇宙射線加速的高速度暗物質(zhì)。團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了融合相對(duì)論性暗物質(zhì)粒子動(dòng)力學(xué)、非相對(duì)論性電子多體系統(tǒng)理論及第一性原理計(jì)算的綜合分析框架，系統(tǒng)揭示了暗物質(zhì)激發(fā)等離激元的微觀過(guò)程，通過(guò)分析基于Skipper-CCD技術(shù)的SENSEI和DAMIC實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出了對(duì)質(zhì)量范圍1 keV-1 MeV的暗物質(zhì)-電子耦合強(qiáng)度迄今最嚴(yán)格的限制。
這一突破性成果不僅驗(yàn)證了學(xué)科交叉方法的有效性，更揭示了現(xiàn)有半導(dǎo)體探測(cè)器的潛在能力——當(dāng)傳統(tǒng)核反沖探測(cè)受限于能量閾值時(shí)，等離激元效應(yīng)可通過(guò)對(duì)多電子信號(hào)的關(guān)聯(lián)分析實(shí)現(xiàn)靈敏度躍升，為下一代國(guó)際輕暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)OBSCURA的設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵理論支撐。
據(jù)祝斌介紹，在輕媒介子模型中，硅探測(cè)器對(duì)亞MeV暗物質(zhì)的探測(cè)極限提升3–20倍，尤其在低能量轉(zhuǎn)移區(qū)域表現(xiàn)突出。此外，高靈敏度半導(dǎo)體探測(cè)技術(shù)除了成為揭開(kāi)“暗物質(zhì)”神秘面紗外的關(guān)鍵工具，還能應(yīng)用于量子計(jì)算、輻射監(jiān)測(cè)、材料科學(xué)、醫(yī)療成像、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。
近日，煙臺(tái)大學(xué)祝斌教授與北京化工大學(xué)梁正良老師、南京師范大學(xué)武雷教授、蘇亮亮博士在暗物質(zhì)直接探測(cè)領(lǐng)域取得了重要研究突破，顯著提升了輕暗物質(zhì)的探測(cè)靈敏度。該研究成果以“Probing Sub-GeV Dark Matter via Plasmon Excitations in Semiconductor Detectors”（“通過(guò)半導(dǎo)體等離激元探測(cè)輕暗物質(zhì)”）為題，發(fā)表于國(guó)際物理學(xué)頂級(jí)期刊《Physical Review Letters》（《物理評(píng)論快報(bào)》），祝斌教授為共同通訊作者。
當(dāng)我們?cè)谝雇砟曅强眨壑械暮阈恰⑿窍岛托行侵皇钦麄€(gè)宇宙的冰山一角，更多的部分隱藏在黑暗之中，這就是神秘的暗物質(zhì)。暗物質(zhì)不發(fā)光、不與電磁波發(fā)生作用，難以被探測(cè)，卻占據(jù)宇宙總質(zhì)量約85%，并通過(guò)引力對(duì)宇宙的結(jié)構(gòu)和演化產(chǎn)生著重要影響。然而，目前世界上有關(guān)“暗物質(zhì)”的研究了解仍非常有限，被視為21世紀(jì)物理學(xué)的重大謎題之一。
“傳統(tǒng)方法主要尋找較重的暗物質(zhì)粒子，始終沒(méi)有突破。然而，更輕的暗物質(zhì)撞擊探測(cè)器時(shí)能量太小，常規(guī)設(shè)備無(wú)法捕捉。”祝斌介紹。然而，當(dāng)暗物質(zhì)以接近光速的速度撞擊固體材料時(shí)，會(huì)引發(fā)材料中的“等離子體共振”，這種“共振”可以被高精度探測(cè)器捕捉到，從而直接證明暗物質(zhì)的存在。
基于此，祝斌及其研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于等離子體激元共振增強(qiáng)的新型探測(cè)方法，能顯著提升半導(dǎo)體探測(cè)器對(duì)輕暗物質(zhì)的靈敏度，尤其適用于被宇宙射線加速的高速度暗物質(zhì)。團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了融合相對(duì)論性暗物質(zhì)粒子動(dòng)力學(xué)、非相對(duì)論性電子多體系統(tǒng)理論及第一性原理計(jì)算的綜合分析框架，系統(tǒng)揭示了暗物質(zhì)激發(fā)等離激元的微觀過(guò)程，通過(guò)分析基于Skipper-CCD技術(shù)的SENSEI和DAMIC實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出了對(duì)質(zhì)量范圍1 keV-1 MeV的暗物質(zhì)-電子耦合強(qiáng)度迄今最嚴(yán)格的限制。
這一突破性成果不僅驗(yàn)證了學(xué)科交叉方法的有效性，更揭示了現(xiàn)有半導(dǎo)體探測(cè)器的潛在能力——當(dāng)傳統(tǒng)核反沖探測(cè)受限于能量閾值時(shí)，等離激元效應(yīng)可通過(guò)對(duì)多電子信號(hào)的關(guān)聯(lián)分析實(shí)現(xiàn)靈敏度躍升，為下一代國(guó)際輕暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)OBSCURA的設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵理論支撐。
據(jù)祝斌介紹，在輕媒介子模型中，硅探測(cè)器對(duì)亞MeV暗物質(zhì)的探測(cè)極限提升3–20倍，尤其在低能量轉(zhuǎn)移區(qū)域表現(xiàn)突出。此外，高靈敏度半導(dǎo)體探測(cè)技術(shù)除了成為揭開(kāi)“暗物質(zhì)”神秘面紗外的關(guān)鍵工具，還能應(yīng)用于量子計(jì)算、輻射監(jiān)測(cè)、材料科學(xué)、醫(yī)療成像、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。
本文鏈接：http://m.020gz.com.cn/news-2-1084-0.html我國(guó)學(xué)者在暗物質(zhì)直接探測(cè)領(lǐng)域取得重要研究突破
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