量子传感器助力追踪轻暗物质运动方向
暗物质是一种极其神秘的物质形式，它既不会发射、吸收，也不会反射光线，且与普通物质的相互作用极为有限。这种特性导致科学家难以使用传统的粒子探测手段来研究它。
目前尚无明确证据证明暗物质的确切构成。一种主流假说提出，暗物质可能由质量极低的粒子组成，其质量低于1电子伏特，这类粒子更倾向于呈现波动特性，而非传统的粒子行为。
来自东京大学和中央大学的研究人员近期尝试利用量子传感器技术，探索探测亚GeV暗物质的可能性。量子传感器基于量子力学原理，具备检测极弱信号的高灵敏度。
他们在《物理评论快报》上发表的论文中指出，这些先进的传感系统在测定轻暗物质运动方向和速度方面具有显著潜力。
该研究的第一作者福田敬一表示，他在arXiv平台浏览量子物理领域的最新成果时，注意到分布式量子传感已成为一个热点研究方向。受此启发，他与团队开始思考是否可以将该技术应用于高能物理领域，进而探索其在暗物质探测中的应用。
测量暗物质的速度与运动方向
福田及其团队的研究目标在于，将量子工程的最新成果与粒子物理学相结合，提升当前暗物质探测技术的精度。传统方法主要依赖探测暗物质粒子与探测器内部原子或原子核的相互作用所产生的微弱信号。
福田表示：“借助现有技术，测量重暗物质的速度是可能的，尽管实验操作上仍然存在挑战。”
“但对于轻暗物质，我们通常采用的是离散激发模式，因此难以测量其速度。我们发现，通过使用空间扩展型探测器，而非传统的空间扩展信号（反冲径迹）进行分析，可以实现对轻暗物质速度的测量。”
研究人员提出了一种新的测量方案，该方案依赖于多个探测器和量子测量协议。通过分析这些探测器收集的数据，团队能够提取出有关暗物质速度和方向的关键信息。经过详细评估，他们发现该方法在灵敏度方面相较传统手段有了显著提升。
福田指出：“此前已有研究尝试利用细长探测器或传统探测器阵列探测轻暗物质，但这些方法通常依赖于特定的相互作用机制。我们提出的方法则基于量子传感器阵列，具备更高的通用性与灵敏度。”
暗物质研究的新路径
这项研究提出的新方法有望在未来进一步优化，并用于实际的暗物质探测实验。该成果也为粒子物理和高能物理领域的研究者提供了新的视角，激励他们探索量子传感技术在暗物质及其他粒子研究中的应用潜力。
福田补充道：“我们的研究表明，量子技术在高能物理领域中具有重要价值。”
“我期待在未来进一步探索量子传感器的更多应用。在接下来的工作中，我们还将尝试改进现有方法，通过传感器阵列不仅测量暗物质速度，还尝试描绘其空间分布。”
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。