烟台大学教授祝斌等学者在暗物质直接探测领域取得重要突破

与暗物质“捉迷藏” 人类离胜利更进一步

　　本报烟台讯 近日，烟台大学教授祝斌与北京化工大学教师梁正良、南京师范大学教授武雷、博士苏亮亮在暗物质直接探测领域取得了重要研究突破，显著提升了轻暗物质的探测灵敏度。该研究成果以“Probing Sub-GeV Dark Matter via Plasmon Excitations in Semiconductor Detectors”（“通过半导体等离激元探测轻暗物质”）为题，发表于国际物理学顶级期刊《Physical Review Letters》（《物理评论快报》），祝斌教授为共同通讯作者。

　　“该研究为找到暗物质提供了一个好方案。”祝斌介绍，“简单来说，该成果缩小了暗物质可能存在的性质范围，就像在捉迷藏中排除了一些可能藏身的地方，离‘游戏’胜利更进一步。”

　　什么是暗物质？

　　人类在夜晚能看到的恒星、星系和行星仅仅是浩瀚宇宙的一小部分，而更广阔的区域则隐匿于黑暗之中，这便是神秘的暗物质。暗物质既不发光也不与电磁波相互作用，因此难以探测，但它却占据了宇宙总质量的约85%，并通过引力深刻地影响着宇宙的结构与演化。时至今日，人类对暗物质的认知仍然相当有限，这使它成为21世纪物理学亟待解决的重要谜题之一。

　　此前，世界上对探测暗物质的研究多集中于暗物质与单个电子的散射。“传统方法主要寻找较重的暗物质粒子，始终没有突破。而更轻的暗物质撞击探测器时能量太小，常规设备无法捕捉。”祝斌介绍，“我们的研究聚焦暗物质与多个电子的同时散射。当暗物质以接近光速的速度撞击固体材料时，会引发材料中的‘等离子体共振’，这种‘共振’可以被高精度探测器捕捉到，从而直接证明暗物质的存在。”

　　基于此，该团队提出了一种基于等离子体激元共振增强的新型探测方法，能显著提升半导体探测器对轻暗物质的灵敏度，尤其适用于被宇宙射线加速的高速度暗物质。团队构建了融合相对论性暗物质粒子动力学、非相对论性电子多体系统理论及第一性原理计算的综合分析框架，系统揭示了暗物质激发等离激元的微观过程，通过分析基于Skipper-CCD技术的SENSEI和DAMIC实验数据，给出了对质量范围1 keV-1 MeV的暗物质-电子耦合强度迄今最严格的限制。

　　这一突破性成果不仅验证了学科交叉方法的有效性，更揭示了现有半导体探测器的潜在能力——当传统核反冲探测受限于能量阈值时，等离激元效应可通过对多电子信号的关联分析实现灵敏度跃升，为下一代国际轻暗物质直接探测实验OBSCURA的设计提供了关键理论支撑。

　　“我从2018年就开始研究这个问题，其间与志同道合的老师结成团队，不断地构想、检验、推翻……直到找到了这个方法。”祝斌说，“研究课题有时间的紧迫性，我们在业界的预印本发布文章一周后，就有国外的研究团队发布了类似的研究，这一周的时间差就决定了我们是原创。而《物理评论快报》最看重的就是原创和唯一性。”

　　在被问及该研究在生活中如何应用时，祝斌坦言：“我现在不能断言它一定会产生怎样的作用，但站在研究人员的角度，暗物质是已知物质的五倍多，不断地‘走近’它、‘看到’它是很有必要的。”（记 者 邢金钰 通讯员 孙 艳 报道）