暗物质占据宇宙物质总量约85%，被认为是“笼罩在21世纪物理学上的两朵乌云”之一。国际上对暗物质的研究极为重视，欧美都为之进行了详细周密的规划，开展了一系列的相关项目规划。我国也将暗物质的研究纳入了国家中长期科技规划。在过去的几年，中国在暗物质探测方面实现了长足进步，建设了中国锦屏地下实验室开展暗物质直接探测实验，成功发射了首颗暗物质粒子探测卫星，均取得了一系列重要成果。
轻暗物质粒子（质量轻于质子质量）是一类重要的暗物质候选者。它在早期宇宙中可以通过热产生，也是众多新物理模型中所预言的粒子。通过观测轻暗物质粒子与普通物质相互作用，有可能在直接探测方向实现对暗物质研究的革命性突破。然而，该质量区间轻暗物质与靶物质作用信号微弱，实验探测面临极大挑战。
近日，我校物科院武雷教授课题组与合作者提出了基于半导体探测器中等离激元（plasmon）效应的创新探测范式，为破解轻暗物质探测困境开辟新路径。该工作以固体暗物质探测器中电子集体振荡的量子特性为突破口，构建了相对论暗物质-多体电子系统相互作用模型，成功实现对质量范围1 keV-1 MeV暗物质粒子的最灵敏探测。相关成果以“Plasmon-Enhanced Direct-Detection Method for Boosted Sub-MeV Dark Matter”为题发表在国际物理学顶级期刊《Physical Review Letters》。
等离子激元是固体探测器中电子集体振荡形成的准粒子激发态（类比于晶格振动的声子）。当高能暗物质粒子穿透材料时，会激发等离激元，后者迅速衰变为多个电子-空穴对而被探测。研究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。研究表明：银河系暗物质晕中暗物质的特征热运动速度（约千分之一光速）不足以激发硅、锗等半导体的等离激元；但高速运动的暗物质可有效触发等离激元响应。研究团队通过分析基于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。这一成果不仅验证了所提理论方法的有效性，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，可通过等离子激元效应实现暗物质探测灵敏度的跃升，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。
该研究工作由我校物科院武雷教授、博士生苏亮亮与北京化工大学梁正良博士、烟台大学祝斌教授共同完成。课题组得到国家自然科学基金面上项目、重点项目等资助。
论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.071001
