中子诱发Migdal效应的首次直接观测及其在轻暗物质探测中的意义

本综述报道了中子-核碰撞中Migdal效应的直接观测（统计显著性>5σ），填补了该现象80余年来的实验验证空白。研究通过高精度气体像素探测器成功捕获核反冲与Migdal电子共顶点事件，测得Migdal截面与核反冲截面比值为(4.9-1.9+2.6)×10?5，与理论预测吻合。该成果为利用Migdal效应探测亚GeV暗物质提供了实验基石，显著提升了低质量暗物质探测的灵敏度上限。

实验背景与意义

暗物质探测实验近年聚焦于质量在MeV至GeV范围的轻暗物质粒子。此类粒子信号微弱，Migdal效应成为增强探测灵敏度的关键机制——当暗物质或中子与原子核碰撞时，核反冲过程伴随的原子电子激发会产生可探测的电子信号。尽管该效应自20世纪30年代由Migdal提出，且在暗物质探测实验中广泛应用，但其在核散射过程中的直接实验证据始终缺失。

实验设计与技术突破

研究团队研制了基于氦气-二甲醚（DME）混合气体的像素探测器，采用83微米像素尺寸的Topmetal-II芯片实现高精度径迹成像。探测器配备铍窗、气体微通道板（GMCP）和电荷敏感像素阵列，等效噪声电荷低至13.9e^?。通过D-D中子发生器产生2.5 MeV中子束流轰击气体，利用径迹拓扑特征（核反冲与电子反冲共顶点）识别Migdal事件。

事件选择与背景抑制

通过YOLOv8算法识别径迹，结合能量沉积密度（dE/dX）和圆形度参数区分核反冲（NR）与电子反冲（ER）。设定NR能量阈值>35 keVee，ER能量窗口为5–10 keV，顶点距离小于200微米。从81.7万条事件中筛选出6个Migdal候选事件，其径迹特征分布显示NR与ER在dE/dX-圆形度二维空间中明显分离。

背景分析

实验系统评估了反冲诱导δ电子、随机径迹符合、中子活化、宇宙线μ子诱发背景等主要本底来源。通过蒙特卡罗模拟与数据驱动分析，总本底期望值为0.229±0.032（统计）±0.043（系统），显著低于信号计数。其中最大本底贡献来自中子束流相关的光电子与康普顿电子偶然符合。

理论验证与截面测量

基于Star-XP模拟框架，计算Migdal微分截面与核反冲截面比值。实验测得比值为(4.9_-1.9^+2.6)×10^?5，与理论预测值3.9×10^?5在误差范围内一致。剖面似然分析显示信号显著性超过5σ，证实观测到Migdal效应。

结论与展望

本研究首次在中子-核散射中直接验证Migdal效应，解决了数十年的实验验证难题。研究成果为暗物质探测提供了关键实验基准，尤其推动亚GeV暗物质搜索的灵敏度提升。未来可基于此技术优化探测器设计，拓展至氙、氩等重型靶核材料，进一步探索低质量暗物质与核子的相互作用机制。