量子传感器助力轻暗物质运动方向的追踪
暗物质是一种难以探测的物质形式，它既不发射也不吸收光，其与常规物质之间的相互作用极其微弱。这些特征使得科学家难以依赖传统的粒子探测手段对其进行研究。
尽管暗物质的存在已被间接证实，但其组成成分至今仍是一个谜。有理论提出，暗物质可能由质量极小、低于1电子伏特的粒子构成，这类粒子的行为更接近波而非传统意义上的粒子。
东京大学与中央大学的研究人员近期提出了一项基于量子传感的新思路，用于探测亚GeV级别的暗物质。量子传感器依赖量子力学原理，能够捕捉极其微弱的信号，是当前传感技术中的前沿方向。
他们在《物理评论快报》上发表的论文指出，这种高灵敏度的量子传感器系统在追踪轻暗物质的运动方向和速度方面具有巨大潜力。
研究团队中，论文的第一作者 Fukuda 表示，在浏览 arXiv 量子物理类别时，他注意到分布式量子传感已经成为研究热点。“当时我们意识到，这项技术或许可以被引入高能物理研究，特别是在暗物质探测方面。”
捕捉轻暗物质的运动特征
Fukuda 及其团队的研究目标是将量子工程的最新成果与粒子物理学结合，以提升当前暗物质探测实验的性能。迄今为止，科学家主要通过探测暗物质粒子与探测器中材料的碰撞所引发的信号，来寻找重暗物质。
“这种探测方法对重暗物质的运动速度测量是可行的，尽管在实验上仍面临诸多挑战。”Fukuda 说道，“但对于轻暗物质，传统方法无法有效捕捉其运动信息。”
研究人员提出，通过空间扩展探测器，而非传统的离散信号探测方法，可以实现对轻暗物质速度的测量。他们设计了一种新的策略，利用多个探测器与量子测量协议协同工作，以提取有关暗物质运动方向和速度的数据。
在实验分析中，研究团队验证了这一方法的可行性，并发现其可显著提升探测灵敏度。与依赖特定相互作用模型的传统方法不同，该策略具有更强的通用性。
Fukuda 表示：“已有研究尝试采用细长探测器或传统探测器阵列来寻找轻暗物质，但这些方案受限于具体作用机制。而我们的方法基于量子传感器阵列，能更广泛适用，并展现出更高的探测灵敏度。”
打开暗物质研究的新窗口
这项研究提出的新方法为轻暗物质的探测开辟了新的道路，并可能在不久的将来被进一步优化，应用于实际实验中。
研究团队认为，该成果不仅对暗物质探测有重要价值，也为高能物理和粒子精确测量提供了新的工具。Fukuda 认为，这项工作证明了量子技术在基础物理研究中的潜力。
“我们希望这项研究能激发更多科学家关注量子传感器在高能物理中的应用。下一步，我们计划改进当前方法，尝试利用传感器阵列进一步研究暗物质的空间分布。”
更多信息详见：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。