量子传感器助力追踪轻暗物质方向，开启新探测路径
暗物质是一种难以探测的物质形式，它既不发光，也不吸收或反射光，与常规物质的交互极为微弱。正因如此，科学家难以通过传统粒子探测手段来研究它。
尽管暗物质的存在已被广泛接受，其具体构成仍是个谜。一些理论提出，暗物质可能由质量极低的轻粒子构成，这些粒子的质量甚至低于1电子伏特，其行为更类似于波而非传统意义上的粒子。
来自东京大学和中央大学的研究人员近期提出了一种创新思路：利用量子传感器技术寻找亚GeV级别的暗物质。量子传感器基于量子力学原理，具备探测极其微弱信号的能力，是当前传感技术领域的前沿成果。
他们的研究成果发表于《物理评论快报》，重点探讨了高灵敏度量子传感系统在探测轻暗物质运动方向与速度方面的潜力。
论文第一作者福田秀明在arXiv上浏览量子物理类论文时注意到，分布式量子传感已成为一个快速发展的研究方向。这一发现促使他思考，是否可以将该技术引入高能物理领域，用于暗物质探测。
重构暗物质探测方式：速度与方向的测量
福田团队的研究目标在于整合量子技术与粒子物理学的最新进展，推动暗物质探测手段的革新。传统上，科学家通过探测暗物质粒子与探测器内原子或原子核碰撞时产生的信号，来研究较重的暗物质粒子。
福田指出，这种探测方式虽有助于测量重暗物质的速度，但对轻暗物质则存在局限。由于轻粒子激发的信号通常是离散的，传统的反冲径迹方法难以捕捉其速度信息。
为此，研究团队提出了一种新方法：通过构建空间分布式的探测器阵列，结合量子测量协议，实现对轻暗物质运动参数的测量。这种方法不再依赖于单一的反冲信号，而是通过对多个传感器信号的联合分析，推导出暗物质的速度和方向。
研究人员进行了多轮模拟与数据分析，验证了该方法在理论上的可行性。结果显示，这种新型探测策略具有较高的灵敏度和广泛的适用性。
福田补充说：“此前已有研究尝试通过细长探测器或经典探测器阵列探测轻暗物质，但这些方法依赖于特定的相互作用机制。而我们的方法基于量子传感阵列，不依赖具体作用方式，因此更具通用性。”
面向未来的暗物质探测技术
这项研究为暗物质的探测提供了新的技术路径。研究团队表示，他们的方法在实验条件成熟后有望被应用于实际探测任务，并可能激发粒子物理领域的更多创新。
福田强调：“我们展示了量子技术在高能物理研究中的应用潜力。”
“除了速度测量，未来我们还希望利用量子传感器阵列研究暗物质的空间分布。我相信，这类传感器将在基础物理研究中发挥越来越重要的作用。”
更多信息：Hajime Fukuda 等人，《利用量子传感器定向搜索轻暗物质》，《物理评论快报》(2025)。DOI：10.1103/cwx5-2n1y。
期刊信息：Physical Review Letters，arXiv