浩瀚星空中，神秘的暗物质如何被捕捉到？在较重的暗物质粒子之外，常规设备无法捕捉的轻暗物质如何“现身”？近日，烟台大学教授祝斌与北京化工大学梁正良、南京师范大学武雷教授、苏亮亮博士合作提出一种新型探测方法，可以探测到常规设备无法捕捉的轻暗物质。相关成果刊登在近日出版的美国物理学会《物理评论快报》上。
宇宙中绝大部分物质都是不可见的，科学家们称之为“暗物质”。暗物质不发光、不与电磁波发生作用，难以被探测，却占据宇宙总质量约85%，并通过引力对宇宙的结构和演化产生着重要影响。
浩瀚星空。受访者供图
“传统方法主要寻找较重的暗物质粒子，却始终难以探测到。然而，更轻的暗物质撞击探测器时能量太小，常规设备无法捕捉。”祝斌向科技日报记者介绍，当暗物质以接近光速的速度撞击固体材料时，会引发固体材料中的“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，祝斌、武雷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。该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，通过这套方法，他们深入研究了暗物质与材料中的电子如何相互作用，并揭示了暗物质激发“等离激元”的微观过程，“通过速度接近光速的暗物质可以在材料中‘唤醒’电子的集体运动，产生如同‘石头入水后的涟漪’一般的共振增强。”祝斌说。
通过分析上述实验数据，该团队得出了重要结论，即质量在1 keV到1 MeV之间的暗物质与电子之间的相互作用强度被限制在一个非常小的范围内。这是迄今为止，世界范围内科学家对这类暗物质与电子相互作用的最严格限制。换句话说，该团队通过上述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。
祝斌向记者表示，在轻媒介子模型中，硅探测器对亚MeV暗物质的探测极限提升3—20倍，尤其在低能量转移区域表现突出。此外，高灵敏度半导体探测技术除了成为揭开“暗物质”神秘面纱外的关键工具，还能应用于量子计算、辐射监测、材料科学、医疗成像、环境监测等领域。
