量子传感器为轻暗物质探测带来新视角
暗物质是一种难以捉摸的宇宙组成成分，它既不发光，也不吸收或反射光，并且与常规物质的相互作用极其微弱。这些特点使得传统粒子探测手段难以捕捉其踪迹。
目前，暗物质的物质组成仍属未知。一种主流假说认为，暗物质可能由质量极小的粒子构成，其质量低于1电子伏特，且表现出更多波动特性。
东京大学与中央大学的研究团队近期提出了一种新思路，利用量子传感器追踪这类轻暗物质的运动方向和速度。量子传感器依赖量子力学原理，能够探测极其微弱的信号，为高精度探测提供了可能。
该团队在《物理评论快报》上发表的论文中指出，这类高灵敏度传感器系统在探测亚GeV级轻暗物质方面具备巨大潜力。
“我在arXiv上浏览量子物理领域的最新论文时，注意到分布式量子传感正成为研究热点，”该研究的第一作者福田弘（Hajime Fukuda）向Phys.org透露，“这启发我们尝试将这一技术引入高能物理领域，以探测暗物质。”
追踪轻暗物质的运动特征
福田与团队的工作聚焦于将量子传感与粒子物理学相结合，特别是在暗物质探测领域。迄今为止，科学家主要通过探测重暗物质与探测器内原子或原子核发生碰撞所产生的信号来寻找其存在。
福田指出：“在这些方案中，测量暗物质的速度在理论上是可行的，尽管实验实现极具挑战。”
“然而，轻暗物质通常激发的是离散模式，因此难以通过传统方式测量其速度。我们发现，如果采用空间分布式的探测器，而非反冲径迹，就能有效捕捉轻暗物质的速度信息。”
该团队提出了一种全新方法，利用多个探测器配合量子测量协议，以更精确地提取暗物质的速度和方向信息。他们通过数据模拟验证了这一方法的可行性，并发现其在灵敏度方面具有显著优势。
“早期研究尝试通过细长探测器或经典探测器阵列来寻找轻暗物质，但这些方法往往依赖于特定的相互作用模型。而我们的方法基于量子传感器阵列，具有更高的普适性和灵敏度。”福田补充道。
暗物质搜寻的新路径
这项研究为探索轻暗物质提供了全新的方向，并有望在不久的将来被应用于实际实验。此外，其研究成果也可能激发更多粒子物理学家和高能物理研究者，探索量子传感技术在暗物质探测及其他高精度粒子研究中的应用。
福田表示：“我们证明了量子方法在高能物理中具有重要价值。”
“我期待量子传感器能进一步拓展在我们领域的应用边界。在未来的工作中，我们还计划改进当前方法，尝试通过传感器阵列同时测量暗物质的速度和空间分布。”
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