近日，煙臺大學祝斌教授與北京化工大學梁正良老師、南京師范大學武雷教授、蘇亮亮博士在暗物質直接探測領域取得了重要研究突破，顯著提升了輕暗物質的探測靈敏度。該研究成果以“Probing Sub-GeV Dark Matter via Plasmon Excitations in Semiconductor Detectors”（“通過半導體等離激元探測輕暗物質”）為題，發表于國際物理學頂級期刊《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。暗物質不發光、不與電磁波發生作用，難以被探測，卻占據宇宙總質量約85%，并通過引力對宇宙的結構和演化產生著重要影響。然而，目前世界上有關“暗物質”的研究了解仍非常有限，被視為21世紀物理學的重大謎題之一。
“傳統方法主要尋找較重的暗物質粒子，始終沒有突破。然而，更輕的暗物質撞擊探測器時能量太小，常規設備無法捕捉。”祝斌介紹。然而，當暗物質以接近光速的速度撞擊固體材料時，會引發材料中的“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的存在。
基于此，祝斌及其研究團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，能顯著提升半導體探測器對輕暗物質的靈敏度，尤其適用于被宇宙射線加速的高速度暗物質。團隊構建了融合相對論性暗物質粒子動力學、非相對論性電子多體系統理論及第一性原理計算的綜合分析框架，系統揭示了暗物質激發等離激元的微觀過程，通過分析基于Skipper-CCD技術的SENSEI和DAMIC實驗數據，給出了對質量范圍1 keV-1 MeV的暗物質-電子耦合強度迄今最嚴格的限制。
這一突破性成果不僅驗證了學科交叉方法的有效性，更揭示了現有半導體探測器的潛在能力——當傳統核反沖探測受限于能量閾值時，等離激元效應可通過對多電子信號的關聯分析實現靈敏度躍升，為下一代國際輕暗物質直接探測實驗OBSCURA的設計提供了關鍵理論支撐。
據祝斌介紹，在輕媒介子模型中，硅探測器對亞MeV暗物質的探測極限提升3–20倍，尤其在低能量轉移區域表現突出。此外，高靈敏度半導體探測技術除了成為揭開“暗物質”神秘面紗外的關鍵工具，還能應用于量子計算、輻射監測、材料科學、醫療成像、環境監測等領域。
近日，煙臺大學祝斌教授與北京化工大學梁正良老師、南京師范大學武雷教授、蘇亮亮博士在暗物質直接探測領域取得了重要研究突破，顯著提升了輕暗物質的探測靈敏度。該研究成果以“Probing Sub-GeV Dark Matter via Plasmon Excitations in Semiconductor Detectors”（“通過半導體等離激元探測輕暗物質”）為題，發表于國際物理學頂級期刊《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。暗物質不發光、不與電磁波發生作用，難以被探測，卻占據宇宙總質量約85%，并通過引力對宇宙的結構和演化產生著重要影響。然而，目前世界上有關“暗物質”的研究了解仍非常有限，被視為21世紀物理學的重大謎題之一。
“傳統方法主要尋找較重的暗物質粒子，始終沒有突破。然而，更輕的暗物質撞擊探測器時能量太小，常規設備無法捕捉。”祝斌介紹。然而，當暗物質以接近光速的速度撞擊固體材料時，會引發材料中的“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的存在。
基于此，祝斌及其研究團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，能顯著提升半導體探測器對輕暗物質的靈敏度，尤其適用于被宇宙射線加速的高速度暗物質。團隊構建了融合相對論性暗物質粒子動力學、非相對論性電子多體系統理論及第一性原理計算的綜合分析框架，系統揭示了暗物質激發等離激元的微觀過程，通過分析基于Skipper-CCD技術的SENSEI和DAMIC實驗數據，給出了對質量范圍1 keV-1 MeV的暗物質-電子耦合強度迄今最嚴格的限制。
這一突破性成果不僅驗證了學科交叉方法的有效性，更揭示了現有半導體探測器的潛在能力——當傳統核反沖探測受限于能量閾值時，等離激元效應可通過對多電子信號的關聯分析實現靈敏度躍升，為下一代國際輕暗物質直接探測實驗OBSCURA的設計提供了關鍵理論支撐。
據祝斌介紹，在輕媒介子模型中，硅探測器對亞MeV暗物質的探測極限提升3–20倍，尤其在低能量轉移區域表現突出。此外，高靈敏度半導體探測技術除了成為揭開“暗物質”神秘面紗外的關鍵工具，還能應用于量子計算、輻射監測、材料科學、醫療成像、環境監測等領域。
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