Предсказание 1939 года сбылось: физики впервые поймали эффект Мигдала и получили новый инструмент для поиска темной материи

В январе 2026 года в журнале Nature была опубликована статья, знаменующая завершение одного из самых долгих теоретических ожиданий в ядерной физике. Группа исследователей впервые экспериментально подтвердила эффект Мигдала в процессе рассеяния на ядрах. Это событие переводит наши представления о методах поиска темной материи из области обоснованных предположений в категорию доказанных фактов. Спустя 85 лет после теоретического предсказания, сделанного советским физиком Аркадием Мигдалом, наука получила инструмент, необходимый для обнаружения легкой темной материи.

Современная фундаментальная физика переживает кризис идентификации. Мы понятия не имеем, из чего состоит темная материя. Десятилетиями поиск был сосредоточен на так называемых вимпах (WIMP) — массивных частицах, которые при столкновении с обычным веществом должны вызывать заметную отдачу атомных ядер. Однако самые чувствительные детекторы, расположенные глубоко под землей, не зафиксировали ни одного сигнала.

Молчание детекторов заставило ученых пересмотреть парадигму и обратиться к гипотезе «легкой» темной материи (частиц с массой менее 1 ГэВ). Но здесь препятствие: легкая частица при ударе о ядро атома передает ему ничтожно мало энергии. Импульс ядра оказывается настолько слабым, что он тонет в тепловом шуме приборов. И стандартные методы регистрации здесь никакого результата не дадут. Единственным шансом увидеть такие столкновения оставался эффект Мигдала — квантовый феномен, который до недавнего времени существовал лишь на бумаге.

Механика квантового возмущения

В 1939 году советский физик-теоретик Аркадий Мигдал описал неочевидное поведение атома при резком внешнем воздействии. Классическая механика предполагает, что при ударе нейтральной частицы по ядру смещается только ядро. Однако Мигдал показал, что в квантовой системе процесс сложнее.

Атом представляет собой тяжелое положительно заряженное ядро, окруженное облаком легких электронов. При внезапном столкновении (например, с нейтроном или частицей темной материи) ядро получает импульс и начинает движение. Электронное облако, обладая собственной инерцией, не успевает мгновенно перестроиться под новые координаты ядра. Возникает кратковременное рассогласование между положением ядра и конфигурацией электронных оболочек.

С точки зрения квантовой механики, это смещение центра масс ядра относительно центра масс электронной оболочки воспринимается как возмущение. Система стремится вернуться в равновесие, и с некоторой вероятностью это приводит к ионизации атома — один из электронов получает энергию и покидает орбиту.

Если энергия отдачи самого ядра слишком мала для регистрации, то «электрон Мигдала», вылетающий из атома, несет энергию, достаточную для создания отчетливого электрического сигнала. Фактически, эффект превращает невидимое дрожание ядра в видимую ионизацию.

Проблема экспериментального подтверждения

Несмотря на стройность теории, подтвердить ее на практике не удавалось более восьмидесяти лет. Эффект Мигдала наблюдали ранее при радиоактивном альфа- и бета-распаде, но никогда — в процессе рассеяния нейтральных частиц. А именно сценарий рассеяния критически важен для поиска темной материи.

Сложность заключалась в вероятности события. Шанс того, что столкновение приведет к ионизации по механизму Мигдала, крайне мал. В подавляющем большинстве случаев происходит обычное упругое рассеяние, либо, если энергия велика, — неупругие процессы с возбуждением ядра. Выделить редчайший сигнал ионизации на фоне несчетного количества обычных столкновений и естественного радиационного фона казалось невыполнимой задачей. Без прямого наблюдения все ограничения на существование легкой темной материи, установленные экспериментами XENON1T, LUX или DarkSide, базировались на теоретической вере в то, что эффект работает именно так, как предсказывают формулы.

Архитектура открытия

Прорыв совершила коллаборация китайских физиков, использовавшая специально разработанный газовый пиксельный детектор (GPD). Вместо того чтобы ждать гипотетическую темную материю, ученые использовали нейтроны. Нейтроны, как и частицы темной материи, не имеют электрического заряда и взаимодействуют с веществом посредством коротких ударов по ядрам. Если эффект Мигдала существует, он должен проявляться при нейтронной бомбардировке так же, как и при бомбардировке темной материей.

Установка представляла собой камеру, заполненную газовой смесью гелия и диметилового эфира при пониженном давлении. Главным элементом стал считывающий чип Topmetal-II, способный регистрировать пролетающие заряженные частицы с огромной точностью. В отличие от стандартных счетчиков, которые фиксируют только факт наличия энергии, этот детектор работает как трековая камера, восстанавливая трехмерную траекторию частиц в газе.

Экспериментаторы искали строго определенную топологию события, которую невозможно спутать ни с чем другим:

1. Трек ядра отдачи: короткий, плотный след, оставленный тяжелым ионом (ядром углерода или кислорода из молекул газа), получившим удар нейтрона.
2. Трек электрона: более длинный и тонкий след ионизационного электрона.

Главное условие: оба трека должны исходить из одной точки (вершины). Это доказывает, что электрон вылетел из атома именно в момент удара нейтрона по ядру, а не оказался там случайно из-за фоновой радиации.

Статистическая достоверность и результаты

Эксперимент проводился в условиях жесткого контроля фона. Детектор был экранирован свинцом, а система мониторинга отсекала события, вызванные космическими мюонами и естественной радиоактивностью материалов.

Анализ данных, собранных за 150 часов работы под нейтронным пучком, выявил около миллиона событий-кандидатов. После применения многоступенчатых алгоритмов фильтрации, основанных на анализе формы треков и плотности энерговыделения (dE/dx), исследователи выделили шесть событий, которые идеально соответствовали сигнатуре эффекта Мигдала.

В физике элементарных частиц оперируют понятием статистической значимости, измеряемой в стандартных отклонениях (сигма, σ). Результат считается научным открытием, если значимость превышает 5σ. Это означает, что вероятность получения такого результата вследствие случайной флуктуации фона составляет менее одной десятимиллионной доли процента. В данном эксперименте значимость превысила порог в 5σ.

Более того, ученые измерили вероятность эффекта (отношение сечения эффекта Мигдала к сечению обычного ядерного рассеяния). Экспериментальное значение составило 4,9 x 10⁻⁵. Теоретическое предсказание для данных энергий составляло 3,9 x 10⁻⁵. Совпадение в пределах погрешности является убедительным доказательством корректности теории.

Фундаментальное значение для физики

Прямое наблюдение эффекта Мигдала в ядерном рассеянии важно для современной физики и космологии.

1. Легитимизация поиска легкой темной материи. До этого момента все эксперименты, нацеленные на поиск частиц с массой ниже 1 ГэВ, работали в зоне неопределенности. Интерпретация их результатов (или отсутствия таковых) полностью зависела от теоретической модели Мигдала. Теперь, когда эффект подтвержден экспериментально, физики получили твердую почву под ногами. Мы точно знаем, что механизм работает, и можем уверенно исключать или подтверждать существование частиц в этом диапазоне масс.

2. Калибровка детекторов будущего. Знание точных характеристик эффекта (энергетического спектра вылетающих электронов и их углового распределения относительно трека ядра) позволяет оптимизировать алгоритмы обработки данных. Детекторы следующего поколения будут настраиваться с учетом полученных профилей сигналов, что существенно повысит их чувствительность к полезным событиям и улучшит отсеивание шума.

3. Проверка квантовой механики. На фундаментальном уровне это достижение демонстрирует нашу способность описывать и предсказывать поведение сложных многочастичных квантовых систем. Точность, с которой формула 1939 года описала поведение атомов в детекторе 2026 года, свидетельствует о глубоком понимании процессов взаимодействия излучения с веществом.

Заключение

Открытие, описанное в Nature, закрывает важный пробел в экспериментальной физике. Эффект Мигдала перестал быть теоретической работой и превратился в рабочий инструмент. Это не означает, что темная материя найдена, но это означает, что у человечества теперь есть проверенный и откалиброванный прибор для ее поиска. В условиях, когда «тяжелая» темная материя остается неуловимой, подтверждение работоспособности механизма поиска «легкой» материи дает физикам необходимую надежду и направление для дальнейших исследований. Технология, позволившая увидеть отдельные электронные треки в газе, станет основой для новых, еще более чувствительных экспериментов, которые, возможно, наконец ответят на вопрос о скрытой массе Вселенной.

Источник: Nature