近日，煙臺大學(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)的探測靈敏度。該研究成果以“Probing Sub-GeV Dark Matter via Plasmon Excitations in Semiconductor Detectors”（“通過半導(dǎo)體等離激元探測輕暗物質(zhì)”）為題，發(fā)表于國際物理學(xué)頂級期刊《Physical Review Letters》（《物理評論快報》），祝斌教授為共同通訊作者。
當(dāng)我們在夜晚凝視星空，眼中的恒星、星系和行星只是整個宇宙的冰山一角，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，卻占據(jù)宇宙總質(zhì)量約85%，并通過引力對宇宙的結(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，始終沒有突破。然而，更輕的暗物質(zhì)撞擊探測器時能量太小，常規(guī)設(shè)備無法捕捉。”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，會引發(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)隊提出了一種基于等離子體激元共振增強的新型探測方法，能顯著提升半導(dǎo)體探測器對輕暗物質(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)隊構(gòu)建了融合相對論性暗物質(zhì)粒子動力學(xué)、非相對論性電子多體系統(tǒng)理論及第一性原理計算的綜合分析框架，系統(tǒng)揭示了暗物質(zhì)激發(fā)等離激元的微觀過程，通過分析基于Skipper-CCD技術(shù)的SENSEI和DAMIC實驗數(shù)據(jù)，給出了對質(zhì)量范圍1 keV-1 MeV的暗物質(zhì)-電子耦合強度迄今最嚴(yán)格的限制。
這一突破性成果不僅驗證了學(xué)科交叉方法的有效性，更揭示了現(xiàn)有半導(dǎo)體探測器的潛在能力——當(dāng)傳統(tǒng)核反沖探測受限于能量閾值時，等離激元效應(yīng)可通過對多電子信號的關(guān)聯(lián)分析實現(xiàn)靈敏度躍升，為下一代國際輕暗物質(zhì)直接探測實驗OBSCURA的設(shè)計提供了關(guān)鍵理論支撐。
據(jù)祝斌介紹，在輕媒介子模型中，硅探測器對亞MeV暗物質(zhì)的探測極限提升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)體探測技術(shù)除了成為揭開“暗物質(zhì)”神秘面紗外的關(guān)鍵工具，還能應(yīng)用于量子計算、輻射監(jiān)測、材料科學(xué)、醫(yī)療成像、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。
近日，煙臺大學(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)的探測靈敏度。該研究成果以“Probing Sub-GeV Dark Matter via Plasmon Excitations in Semiconductor Detectors”（“通過半導(dǎo)體等離激元探測輕暗物質(zhì)”）為題，發(fā)表于國際物理學(xué)頂級期刊《Physical Review Letters》（《物理評論快報》），祝斌教授為共同通訊作者。
當(dāng)我們在夜晚凝視星空，眼中的恒星、星系和行星只是整個宇宙的冰山一角，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，卻占據(jù)宇宙總質(zhì)量約85%，并通過引力對宇宙的結(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，始終沒有突破。然而，更輕的暗物質(zhì)撞擊探測器時能量太小，常規(guī)設(shè)備無法捕捉。”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，會引發(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)隊提出了一種基于等離子體激元共振增強的新型探測方法，能顯著提升半導(dǎo)體探測器對輕暗物質(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)隊構(gòu)建了融合相對論性暗物質(zhì)粒子動力學(xué)、非相對論性電子多體系統(tǒng)理論及第一性原理計算的綜合分析框架，系統(tǒng)揭示了暗物質(zhì)激發(fā)等離激元的微觀過程，通過分析基于Skipper-CCD技術(shù)的SENSEI和DAMIC實驗數(shù)據(jù)，給出了對質(zhì)量范圍1 keV-1 MeV的暗物質(zhì)-電子耦合強度迄今最嚴(yán)格的限制。
這一突破性成果不僅驗證了學(xué)科交叉方法的有效性，更揭示了現(xiàn)有半導(dǎo)體探測器的潛在能力——當(dāng)傳統(tǒng)核反沖探測受限于能量閾值時，等離激元效應(yīng)可通過對多電子信號的關(guān)聯(lián)分析實現(xiàn)靈敏度躍升，為下一代國際輕暗物質(zhì)直接探測實驗OBSCURA的設(shè)計提供了關(guān)鍵理論支撐。
據(jù)祝斌介紹，在輕媒介子模型中，硅探測器對亞MeV暗物質(zhì)的探測極限提升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)體探測技術(shù)除了成為揭開“暗物質(zhì)”神秘面紗外的關(guān)鍵工具，還能應(yīng)用于量子計算、輻射監(jiān)測、材料科學(xué)、醫(yī)療成像、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。
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