量子传感器助力追踪轻暗物质运动轨迹
暗物质是一种难以直接观测的物质，它既不发光，也不反射或吸收光，且与普通物质之间几乎没有任何相互作用。这些独特的性质使得科学家难以用传统粒子探测手段对其进行研究。
尽管暗物质的物理存在已被广泛认可，但其具体组成仍然未知。一种主流理论推测，暗物质可能由质量极轻的基本粒子构成，其质量小于1电子伏特（eV），这些粒子的行为更类似于波动而非典型的粒子。
来自东京大学和中央大学的研究团队近期提出了一种全新思路，尝试利用量子传感器来探测亚GeV量级的暗物质粒子。量子传感器是基于量子力学原理的先进传感设备，能够检测极其微弱的信号。
研究人员在《物理评论快报》上发表的论文指出，这种高灵敏度的传感系统在追踪轻暗物质的运动方向和速度方面展现出巨大潜力。
该论文第一作者福田宏（Hajime Fukuda）表示，他在查阅arXiv上量子物理领域的最新论文时注意到，分布式量子传感已成为一个备受关注的研究方向。
“我们开始思考，如何将这一技术应用到高能物理领域，特别是用于暗物质探测。”他解释道。
暗物质速度与方向的测量新思路
福田及其研究团队的目标是结合量子工程和粒子物理的最新进展，推动暗物质探测技术的进步。当前，科学家主要通过检测暗物质粒子与探测器内材料相互作用时产生的微弱信号或振动，来搜寻重暗物质。
“对于重暗物质来说，这类方法在理论上可行，虽然实验上非常具有挑战性。”福田表示。
然而，轻暗物质通常激发的是离散能级，难以通过传统手段追踪其运动方向和速度。研究人员提出，可以通过部署空间分布的探测器，以空间扩展方式采集信号，从而获取轻暗物质的速度信息。
该团队提出了一种新方法，通过部署多个暗物质探测器，并结合量子测量协议，实现对轻暗物质速度和方向的测量。所获得的数据被视作量子传感器信号，可从中提取运动参数。
通过一系列模拟分析，研究人员评估了该方法的可行性。结果表明，该方法能够显著提升探测系统的灵敏度。
“已有研究提出利用长条探测器或经典探测器阵列来搜寻轻暗物质，但这些方法依赖于特定的相互作用模型。”福田指出，“而我们的方法基于量子传感器阵列，具有更强的通用性，同时灵敏度也更高。”
推动暗物质研究的前沿进展
这一研究成果有望为未来的暗物质探测实验提供新思路，并加速该领域技术的进一步发展。此外，这项工作也可能激发更多高能物理学家关注量子传感系统在粒子研究中的应用潜力。
“我们展示了量子方法在高能物理中的实际价值。”福田表示，“在后续研究中，我们计划进一步优化方法，探索利用传感器阵列测量暗物质分布的可能性。”
更多信息：Hajime Fukuda 等，《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