量子传感器助力探索轻暗物质运动轨迹
暗物质是一种难以捕捉的神秘物质，不发光、不吸收光，也不反射光，与普通物质的相互作用极为稀薄。正是这些特性，使得科学家难以用传统粒子探测技术来研究它。
由于暗物质至今尚未被直接观测到，其组成仍是一个未解之谜。一些理论推测，暗物质可能由质量极低的轻粒子构成，其质量低于1电子伏特，且其行为更接近波而非粒子。
近日，来自东京大学与中央大学的研究人员提出，可以借助量子传感器来探测这类亚GeV级别的暗物质粒子。量子传感器是一种先进系统，利用量子力学效应，能够捕捉极为微弱的物理信号。
他们在《物理评论快报》上发表的研究指出，这种高灵敏度的传感系统在追踪轻暗物质粒子的速度和运动方向方面展现出巨大潜力。
捕捉轻暗物质的运动参数
福田及相关团队的最新研究聚焦于量子工程技术与粒子物理学的融合，目标是提升当前暗物质探测实验的性能。目前，科学家主要通过探测重暗物质粒子与探测器材料碰撞所引发的信号来寻找暗物质。
福田表示：“这种技术理论上可以测量暗物质的速度，但实验上仍然充满挑战。”
“然而，在面对轻暗物质时，我们通常依赖离散模式的激发，因此难以获取其速度信息。我们的研究表明，利用空间分布式的探测器，可以间接获取这些粒子的运动状态，而非依赖传统的反冲信号。”
研究人员提出了一种创新方法，通过部署多个暗物质探测器，并结合量子测量协议，从探测器采集的数据中提取暗物质的速度与方向信息。团队通过一系列模拟分析，验证了该方法在提高探测灵敏度方面具有显著优势。
福田指出：“过去的研究提出了其他方法，如使用长条形探测器或经典探测器阵列，但这些方案通常受限于特定的相互作用机制。而我们提出的方法基于量子传感器阵列，适用性更广，且灵敏度更高。”
开启暗物质研究新方向
这一研究提出的探测轻暗物质的新路径，有望在不久的将来得到进一步优化，并应用于实际实验中。它也为粒子物理与高能物理领域的研究者提供了新的视角，激发了量子传感技术在暗物质探测与粒子研究中的应用潜力。
福田补充道：“我们证明了量子方法在高能物理中可以发挥关键作用。”
“我相信，量子传感器在我们这个领域还有其他可能的用途。未来的研究中，我们希望进一步改进当前方法，尝试利用传感器阵列同时测量暗物质的运动速度及其空间分布。”
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