量子传感器助力追踪轻暗物质运动轨迹
暗物质是一种极为神秘的物质，它不会发光、也不会吸收或反射光，同时与普通物质之间的相互作用极为微弱。这些特性使得科学家难以借助传统的粒子探测手段来揭示其真实面貌。
由于暗物质至今未被直接观测到，其具体构成仍然未知。一种假设认为，它可能由质量极轻的粒子构成，这些粒子的质量低于1电子伏特，其行为更类似于波，而非传统意义上的粒子。
来自东京大学与中央大学的研究团队近期提出了一种基于量子传感器的新方法，以探索亚GeV量级轻暗物质的探测可能性。量子传感器利用量子效应，能够检测极其细微的信号，因此在高灵敏度传感领域具有广泛应用前景。
该研究团队在《物理评论快报》上发表的论文中指出，这类传感器有望在追踪轻暗物质的速度和方向方面发挥重要作用。
论文第一作者福田启人（Hajime Fukuda）表示，他在arXiv平台浏览最新量子物理研究时注意到，分布式量子传感技术正在迅速发展，这激发了他在高能物理领域应用这一技术的灵感。
“当时我们思考，是否可以将这项前沿技术用于暗物质探测，于是提出了利用量子传感器来实现这一目标的设想。”
量化探测轻暗物质的速度与方向
福田及其团队的研究目标是将近年来在量子工程领域取得的进展，与粒子物理学相结合，以推动暗物质探测的进一步发展。传统上，科学家主要通过探测暗物质粒子与探测器中材料、原子或原子核发生碰撞时的微弱信号来搜寻暗物质。
福田表示：“利用这些方法，测量暗物质的速度在理论上是可行的，虽然实际操作极具挑战。”
“但对于质量非常轻的暗物质粒子，我们通常依赖的是某种离散的激发模式，因此难以获取速度信息。我们发现，如果改用空间分布探测器，而不是依靠反冲径迹的信号，就可以实现对轻暗物质速度的测量。”
团队提出了一种新的探测策略，该策略依赖于多个探测器与特定的量子测量协议相结合。这些探测器所获得的数据将被视为量子传感器输出信号，从中可以提取出暗物质的速度与方向信息。
通过一系列理论分析，研究人员验证了该方法的有效性。结果表明，这种方法有望显著提升探测器的灵敏度。
福田指出：“以往研究中，人们尝试使用细长探测器或经典探测器阵列来寻找轻暗物质。但这些方法受限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，具有更高的通用性和灵敏度。”
开启暗物质探测的新路径
研究人员提出的新方法有望在不久的将来进一步优化，并应用于实际实验中。这项研究还可能推动粒子物理和高能物理领域的科学家，重新审视量子传感系统在暗物质探测及其他粒子研究中的潜力。
福田补充说：“我们已经证明，量子传感方法在高能物理领域具有重要价值。”
“我认为量子传感器在我们领域还有很多尚未开发的用途。接下来，我们计划进一步改进方法，尝试利用传感器阵列不仅测量暗物质的速度，还要分析其空间分布。”
更多信息：Hajime Fukuda 等人，《利用量子传感器定向搜索轻暗物质》，《物理评论快报》（2025）。DOI：10.1103/cwx5-2n1y。
期刊信息：Physical Review Letters，arXiv