量子传感器助力追踪轻暗物质运动方向
暗物质是一种难以探测的物质，它既不发光，也不吸收或反射光，与普通物质的相互作用极为微弱。这些特性使得科学家无法依赖传统的粒子研究手段来捕捉其踪迹。
由于尚未直接观测到暗物质，其组成仍是一个谜。有理论提出，这种神秘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，且表现出更接近波而非粒子的行为。
东京大学与中央大学的研究人员近期探索了如何利用量子传感器探测亚GeV量级的暗物质。量子传感器是一种先进设备，利用量子力学原理探测极其微弱的信号。
他们在《物理评论快报》上发表的论文强调，这类高灵敏度传感器在追踪轻暗物质速度和方向方面具有巨大潜力。
如何测量暗物质的速度和方向
福田及其团队的这项研究旨在融合量子工程与粒子物理学的最新进展，从而提升暗物质探测效率。以往，科学家主要通过探测暗物质粒子与探测器材料中的原子或原子核发生碰撞时产生的信号，来寻找重暗物质。
福田表示：“在这些方法下，理论上测量暗物质的速度是可行的，尽管实验上仍存在挑战。”
“而对于轻暗物质，我们通常采用离散激发模式进行探测，因此难以直接获取其速度。我们意识到，通过部署空间分布式的探测器，而不是依赖离散的信号反冲，可以实现对速度的测量。”
研究人员在研究中提出了一种新策略，通过部署多个探测器和一种基于量子测量的协议来追踪暗物质的速度和方向。
这些探测器所收集的数据可作为量子传感器信号，研究人员从中提取关于暗物质运动状态的详细信息。通过一系列模拟和理论分析，他们验证了该方法在提高探测灵敏度方面的有效性。
福田补充说：“以前的研究尝试通过长形探测器或经典探测器阵列来探测轻暗物质，但这些方法受限于特定的相互作用形式。而我们提出的量子传感器阵列方法更具通用性，而且在灵敏度上也更优。”
开启暗物质研究的新方向
这项研究提出的新方法有望进一步优化，并在未来实际实验中得到应用。该研究不仅推动了暗物质探测技术的发展，也可能激发粒子物理和高能物理领域的研究者探索量子传感系统在其他高精度粒子研究中的应用。
福田表示：“我们的研究表明，量子技术在高能物理中具有广阔前景。”
“我认为量子传感器还有更多潜在用途值得探索。在后续研究中，我们将尝试优化当前方法，以实现对暗物质分布的更全面测量。”
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