量子传感技术助力追踪轻暗物质的运动特性
暗物质是一种极其难以探测的物质，它既不发光，也不吸收或反射光，与普通物质之间的相互作用极为稀少。正因如此，传统的粒子探测技术难以奏效，使得这一神秘成分至今未能被直接观测。
尽管暗物质的存在已被多种天文观测间接证实，但其具体组成仍是一个未解之谜。有理论提出，暗物质可能由质量极小的轻粒子构成，其质量甚至低于1电子伏特，行为更接近于波动而非粒子。
近期，来自东京大学与中央大学的研究团队尝试利用量子传感器探测这类亚GeV级别的暗物质。量子传感器依托量子力学原理，能够捕捉极其微弱的信号，具备极高的灵敏度。
该研究团队在《物理评论快报》上发表的论文指出，这种新型传感技术在追踪轻暗物质运动方向和速度方面展现出巨大潜力。
“在浏览arXiv平台的量子物理论文时，我注意到分布式量子传感已成为一个研究热点。”论文第一作者福田健一在接受Phys.org采访时说道，“我们思考是否能将这项技术引入高能物理领域，并设想其在暗物质探测中的应用。”
探索暗物质的速度与运动轨迹
福田团队的研究目标是融合量子工程的前沿进展与粒子物理学，以提升暗物质探测的精度和效率。过去，科学家主要通过探测暗物质粒子与探测器内原子或原子核碰撞所产生的信号来寻找重暗物质。
福田指出：“对于重暗物质，速度测量在原理上是可行的，尽管实际操作存在挑战。然而，当面对轻暗物质时，由于其激发方式通常具有离散性，速度信息往往难以捕捉。”
为了解决这一问题，研究人员提出了一种新方法：使用空间分布的探测器替代传统的点状探测模式，从而实现对轻暗物质速度的测量。
该研究提出了一种基于多个探测器与量子测量协议的方案。通过分析来自各探测器的数据，研究人员可从中提取出有关暗物质运动方向和速度的关键信息。经一系列模拟分析，该方法被证实可显著提升探测系统的灵敏度。
福田进一步解释道：“此前的实验方案多依赖特定的相互作用机制，而我们提出的方案基于量子传感器阵列，具有更强的普适性，同时灵敏度更高。”
开拓暗物质探测的新方向
这项研究成果不仅为探测轻暗物质提供了新的技术路径，也有可能推动高能物理与粒子物理领域的进一步融合。研究人员表示，未来将对这一方法进行优化，并有望在实验中验证其实际效果。
福田补充道：“我们展示了量子方法在高能物理领域中的重要性。我相信，量子传感技术在粒子探测中仍有更广泛的应用前景。在下一步工作中，我们计划扩展传感器阵列的功能，不仅用于测量速度，还要探索暗物质的空间分布。”
更多信息：Hajime Fukuda 等人，《利用量子传感器定向搜索轻暗物质》，Physical Review Letters (2025)。DOI：10.1103/cwx5-2n1y。