暗物质占据宇宙物质总量约85%，但其本质仍是未解之谜。传统探测手段主要针对大质量弱相互作用粒子（WIMP），但近年来的实验未发现其明确信号，促使人们将目光转向质量更轻（sub-GeV）的暗物质粒子候选者。然而，轻暗物质与普通物质的相互作用极其微弱，且能量沉积远低于常规探测器阈值，这为直接探测带来了巨大的挑战。在此背景下，北京化工大学数理学院梁正良老师联合南京师范大学与烟台大学的合作者，提出了一种基于半导体等离激元效应的探测方案，为轻暗物质搜寻开辟了新的路径。相关论文“Plasmon-Enhanced Direct-Detection Method for Boosted Sub-MeV Dark Matter”于2月18日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

图. 经宇宙线加速的轻暗物质粒子可以激发skipper-CCD半导体探测器中的等离激元信号，从而被捕捉到。

传统暗物质直接探测实验依赖核反冲信号，但sub-GeV暗物质与原子核碰撞的能量转移仅为电子伏特量级（eV），难以被大型液体探测器捕获。为此，人们转向半导体材料中的电子激发信号：当暗物质与电子相互作用时，可能引发电离或集体激发效应。然而，银河系暗物质晕中暗物质粒子的典型速度仅约千分之一光速（），其动能并不足以触发半导体中显著的电子响应。

研究团队提出利用半导体中的等离激元——一种电子集体振荡的准粒子——作为探测媒介。等离激元信号具有独特的物理特性：

1. 共振增强效应：在特定动量（Q）和能量（ω）转移下，入射暗物质粒子的能量损失函数（Im[-ε^-1(Q, ω)）呈现显著共振峰（如硅材料在ω~15eV、Q<5keV时），可大幅提升暗物质与电子的散射概率。

 2. 多电子信号特征：单个等离激元衰变可产生多个电子-空穴对（3-6个电子空穴对），与常见的单电子噪声形成鲜明区别，有效降低本底干扰。

为实现这一目标，团队利用“宇宙射线加速暗物质”（CRDM）机制：银河系中的高能宇宙射线（如电子、质子）与暗物质碰撞后，后者可被加速至相对论速度（大于0.01倍光速）。通过构建包含相对论性暗物质运动学、非相对论性电子多体响应及第一性原理计算的理论框架，研究团队证实：加速后的暗物质动量转移足以匹配等离激元激发条件，从而可能在硅、锗等半导体中产生可观测信号。

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，即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的设计提供了关键理论支撑。

该论文的第一通讯单位为北京化工大学数理学院，梁正良老师为论文第一作者，梁正良老师、南京师范大学武雷教授、苏亮亮博士生和烟台大学的祝斌教授为文章共同通讯作者。

论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.071001

作者简介：

梁正良：北京化工大学数理学院讲师，研究方向为暗物质粒子现象学。