量子传感器助力追踪轻暗物质运动

量子传感器助力追踪轻暗物质运动

暗物质作为一种难以捕捉的物质形式，既不发光，也不反射或吸收光，并且与普通物质的相互作用极为微弱。这些特点使得传统粒子探测技术难以捕捉其踪迹。

尽管科学家们尚未直接探测到暗物质，但一些理论提出，它可能由质量极轻的粒子构成，其质量可能低于1电子伏特，并表现出类似于波动的行为。

来自东京大学和中央大学的研究团队近期提出了一种新颖的探测方法——利用量子传感器来识别亚GeV质量范围内的轻暗物质。这类传感器依赖于量子力学原理，能够捕捉极其微弱的信号。

他们在《物理评论快报》上发表的研究指出，这类高灵敏度设备在追踪轻暗物质的速度和方向方面具有巨大潜力。

“当我浏览arXiv平台上的最新量子物理论文时，发现分布式量子传感已成为一个热点方向。” 论文第一作者Hajime Fukuda在接受Phys.org采访时表示。

“我们开始思考，是否可以将这一新兴技术引入高能物理领域，特别是在暗物质探测方面。”

捕捉暗物质的运动信息

Fukuda及其团队的研究旨在融合量子工程与粒子物理学的最新进展，为暗物质探测提供更有效的手段。长期以来，科学家主要通过探测重暗物质粒子与探测器中材料、原子或原子核碰撞后产生的信号来间接识别暗物质。

“对于重暗物质来说，测量其速度是可能的，尽管实现起来非常具有挑战性。” Fukuda说道。

“但轻暗物质则不同，通常我们只能观测其激发状态，而无法获得其速度信息。我们的研究提出了一种新思路——通过空间扩展探测器而非反冲径迹信号，来实现对轻暗物质速度的测量。”

该团队在论文中提出了一套新策略，通过部署多个探测器并配合量子测量协议，从传感器数据中提取暗物质的速度和方向信息。他们通过一系列模拟和分析验证了该方法的可行性，并发现其探测灵敏度具有显著提升。

“此前的研究曾尝试使用细长探测器或经典探测器阵列来探测轻暗物质，但这些方法依赖于具体的相互作用机制。而我们的方法基于量子传感器阵列，更具通用性，同时灵敏度也更高。”

开启暗物质探测的新方向

这项研究成果有望推动未来暗物质探测实验的发展，并为粒子物理学家提供新的研究路径。

Fukuda补充说：“我们已经证明，量子技术在高能物理领域中可以发挥关键作用。我期待进一步探索量子传感器在我们研究领域的更多可能性，并尝试改进现有方法，使其不仅能测量暗物质的速度，还能揭示其空间分布。”

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。