В забележително откритие, което свързва близо един век теоретична физика, китайски изследователски екип успешно улови първото пряко доказателство за ефекта Мигдал, пробив с дълбоки последици за изследването на тъмната материя – невидимата субстанция, за която се смята, че съставлява приблизително 85 процента от Вселената.
Откритието, публикувано в четвъртък в списанието Nature, потвърждава прогноза, направена през 1939 г. от съветския физик Аркадий Мигдал: когато атомно ядро внезапно натрупа енергия – например от сблъсък с неутрална частица (като неутрон или кандидат за тъмна материя) – и се откачи, бързата промяна във вътрешното електрическо поле на атома може да изхвърли един от неговите орбитиращи електрони.
В продължение на почти девет десетилетия този процес на „изхвърляне на електрони“ остава чисто теоретичен. Преките доказателства се оказаха неуловими, защото ефектът се проявява в невероятно малък мащаб и лесно се маскира от фонов шум от космически лъчи и естествена радиация.
За да го улови, изследователски екип, ръководен от Университета на Китайската академия на науките, работещ с няколко други китайски университета, разработи специализирана „атомна камера“ – високо прецизен газов детектор, интегриран с специално проектиран микрочип. Настройката е достатъчно чувствителна, за да проследи траекторията на един атом и електрона, който освобождава.
Чрез бомбардиране на газови молекули с неутрони и анализиране на повече от 800 000 кандидат-събития, екипът идентифицира шест ясни сигнала. Всеки показва определящия подпис на ефекта на Мигдал: две следи от частици – една от отдръпващото се ядро и една от изхвърления електрон – излизащи от точно една и съща точка. Статистическата достоверност на откритието достигна прага от пет сигма, златния стандарт във физиката на елементарните частици.
„Директното наблюдение на ефекта Мигдал в ядрени експерименти е отдавнашно и широко признато предизвикателство. Няколко водещи международни изследователски екипа се опитаха да го открият, без успех“, каза Ю Хайбо, професор по физика и астрономия в Калифорнийския университет, Ривърсайд. „Следователно резултатът, постигнат от китайския отбор, е истински пробив и наистина вълнуващ.“
От десетилетия търсенето на тъмна материя се фокусира върху хипотетични частици, наречени WIMP, или слабо взаимодействащи масивни частици. Но след като големи експерименти като китайския PandaX и италианския XENON не откриха доказателства за тези тежки кандидати, научното внимание все повече се насочва към така наречената лека тъмна материя – частици, които са много по-леки и дори по-трудни за откриване.
Предизвикателството е, че когато такава лека частица удари атом, ядреният откат, който произвежда, е твърде слаб, за да се регистрира от конвенционалните сензори.
Това е мястото, където ефектът на Мигдал променя уравнението.
„С ефекта на Мигдал, след като един електрон бъде изхвърлен, нашият детектор може на теория да улови 100 процента от неговата енергия“, каза Джън Янгенг, професор в Университета на Китайската академия на науките и съ-ръководител на изследването. Той каза, че процесът ефективно преобразува иначе незабележим нискоенергиен удар в измерим електронен сигнал.
„Тази работа запълва дългогодишна експериментална празнина, затвърждава теоретичната основа на ефекта Мигдал и представлява решаваща първа стъпка към прилагането му в търсенето на светла тъмна материя“, каза Лю Джианлай, професор в Шанхайския университет Джиао Тонг и водещ учен на експеримента PandaX.
Гледайки напред, екипът планира да проучи ефекта на Мигдал, използвайки различни целеви материали.
„Следващите ни стъпки включват оптимизиране на работата на детектора и разширяване на наблюденията на ефекта на Мигдал към други елементи“, каза Лю Циан, професор в Университета на Китайската академия на науките и съ-ръководител на изследването. „Това ще предостави основни данни в подкрепа на търсенето на още по-леки частици от тъмна материя.“
Нашия източник е Българо-Китайска Търговско-промишлена палaта