量子传感器助力追踪轻暗物质运动方向
暗物质是一种难以探测的物质形式，它既不发光，也不吸收或反射光线，与普通物质的相互作用极为微弱。这些特性使它无法通过传统粒子物理实验手段进行有效探测。
尽管暗物质的性质尚不明确，但科学家提出了一种假说：它可能由质量极低的粒子构成，这些粒子的能量低于1电子伏特，其行为更接近波动而非粒子。
来自东京大学和中央大学的研究团队近期探索了利用量子传感器探测亚GeV量级暗物质的可行性。量子传感器是一种高度精密的设备，其核心原理基于量子力学原理，能够捕捉极其微弱的物理信号。
他们在《物理评论快报》上发表的论文，突出了量子传感技术在测量轻暗物质运动方向和速度方面的巨大潜力。
“当我浏览arXiv上的量子物理领域最新论文时，注意到分布式量子传感已经成为研究热点。”该论文第一作者福田秀明向Phys.org表示，“我们开始思考，是否可以将这一技术引入高能物理领域，并应用于暗物质探测。”
测量暗物质运动的新思路
福田及其团队的研究目标是结合量子工程的最新发展和粒子物理学的理论基础，为暗物质探测提供新的技术路径。
传统上，探测重暗物质粒子的方法主要依赖于其与探测器材料中的原子或原子核发生碰撞时产生的信号。
“这些方法理论上可以测量暗物质的速度，但实际上实现难度极高。”福田指出，“但对于轻暗物质，我们通常使用离散的激发模式，因此难以获得其运动速度。我们发现，通过在空间上扩展探测器，而不是依赖信号反冲轨迹，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方案，该方案依赖多个探测单元和一种基于量子测量的协议。
这些探测器采集的数据将作为量子传感器信号处理的基础，研究人员可从中推断出暗物质的运动方向与速度。团队还通过一系列分析验证了该方法的可行性，结果表明其灵敏度相较于传统方法有了显著提升。
“此前的实验尝试采用细长探测器或经典探测器阵列来探测轻暗物质，但这些方法往往依赖于特定的相互作用类型。”福田解释道，“而我们的方法基于量子传感器阵列，因此具有更强的通用性。同时，灵敏度也更高。”
开启暗物质研究新方向
该研究团队提出的这一新方法，有望在近期获得进一步优化，并应用于实际实验中。
这项研究不仅推动了暗物质探测技术的发展，也可能为其他高能物理和粒子物理学家提供新的研究思路，特别是在量子传感器技术的应用领域。
“我们已经证明，量子测量方法在高能物理研究中能够发挥关键作用。”福田表示，“我相信量子传感器还有更多潜在的应用场景，我们正在积极探索这些可能性。在未来的研究中，我们将进一步优化该方法，尝试通过传感器阵列同时测量暗物质的速度和空间分布。”
更多信息：Hajime Fukuda 等，《利用量子传感器定向搜索轻暗物质》，Physical Review Letters (2025)。DOI：10.1103/cwx5-2n1y。