量子传感器助力追踪轻暗物质轨迹，推动暗物质探测新方向
暗物质是一种难以观测的物质形式，既不发射光，也不吸收或反射光，与普通物质之间的相互作用极为稀少。这些特性使科学家难以通过传统粒子探测技术识别其存在。
长期以来，暗物质的本质一直是未解之谜。有理论推测，暗物质可能由质量极低的轻粒子构成，其质量小于1电子伏特，行为更接近波动而非粒子。
东京大学与中央大学的研究团队近期提出，利用量子传感器探测亚GeV量级的暗物质具备可行性。量子传感器基于量子力学原理，能够感知极为微弱的信号，是当前传感技术中的前沿手段。
他们在《物理评论快报》上发表的论文指出，这类高灵敏度的传感系统在追踪轻暗物质的速度和方向方面具有巨大潜力。
论文第一作者福田博表示，在浏览arXiv网站上的量子物理相关论文时，他注意到分布式量子传感已逐渐成为研究热点。受此启发，他与团队开始思考如何将这一技术应用到高能物理领域，最终提出了利用量子传感技术探测暗物质的思路。
探测暗物质运动特性的新方法
福田团队的研究目标是整合量子工程与粒子物理学的最新成果，推动暗物质探测的进展。传统上，科学家主要通过探测暗物质与探测器中特定材料、原子或原子核发生碰撞时产生的微弱信号来寻找重暗物质。
福田指出，这些方法在测量暗物质速度方面具有一定可行性，但从实验角度仍面临挑战。
“对于轻暗物质而言，传统方法通常依赖于离散的激发模式，因此难以获取其速度信息。我们发现，通过扩展空间探测器，而非通过信号反冲径迹的方式，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探测策略，该策略依赖于多个探测器以及一种量子测量协议。这些探测器收集的信号将作为量子传感器的输出，研究人员可从中提取关于暗物质运动方向和速度的数据。
团队进行了一系列模拟分析，验证了该方法的可行性。结果显示，这种方法有望显著提升探测器的灵敏度。
福田解释说：“过去的研究尝试通过细长探测器或经典探测器阵列寻找轻暗物质，但这些方法对具体相互作用形式高度依赖。而我们采用的量子传感器阵列方法更具通用性，同时具备更高的探测灵敏度。”
迈向暗物质探测的新路径
该研究提出的方法为未来暗物质探测实验提供了新的思路，具备进一步优化和实际应用的潜力。同时，这项工作也鼓励更多粒子物理学家探索量子传感技术在暗物质探测及其他粒子精密测量中的应用前景。
福田补充道：“我们证明了量子技术在高能物理领域具有重要价值。我预计量子传感器将在我们领域内还有更多应用场景，目前我们正期待进一步研究这些可能性。下一步，我们还计划改进方法，探索如何利用传感器阵列同时测量暗物质的速度和分布。”
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。