量子传感器助力追踪轻暗物质的运动特性
暗物质是一种极为神秘的物质，不发光、不吸收光、也不反射光，同时与普通物质的相互作用极其微弱。这些特性使得科学家难以使用传统的粒子探测方法来对其进行研究。
由于尚未被直接观测到，暗物质的成分仍然是物理学中的一大谜题。有理论提出，这种不可见物质可能由质量极低的粒子构成，其质量甚至低于1电子伏特，这些粒子更像波而非传统意义上的粒子。
来自东京大学和中央大学的研究团队近期探索了利用量子传感器探测亚GeV量级暗物质的可行性。量子传感器基于量子力学原理，能够检测极其微弱的信号，为粒子探测提供了新的技术路径。
他们的研究成果发表于《物理评论快报》，重点展示了量子传感系统在追踪轻暗物质速度和方向方面的潜力。
“我浏览arXiv上最新的量子物理论文时，注意到分布式量子传感已成为一个热门研究方向。”该研究的第一作者福田裕树在接受Phys.org采访时说道，“这促使我们思考，是否可以将这一技术引入高能物理领域，特别是用于探测暗物质。”
追踪轻暗物质的速度与方向
福田及其团队的这项研究尝试融合量子工程技术与粒子物理学，旨在提升当前暗物质探测的效率。过去，科学家主要通过探测暗物质与探测器内原子或原子核碰撞时产生的微小信号来寻找重质量暗物质。
福田表示：“这些方法虽然理论上可行，但在实验上极具挑战。”
“而对于轻暗物质，传统方法依赖于离散激发模式，因此难以测得其速度。我们发现，如果使用空间扩展探测器，而不是检测离散的反冲径迹，就有可能实现对轻暗物质速度的测量。”
研究人员提出了一种创新策略，利用多个探测器和量子测量协议来获取暗物质的运动信息。通过将探测器信号视为量子传感器输出，研究团队从中提取了关于暗物质速度和方向的关键数据。
经过多轮分析验证，该策略在提升探测灵敏度方面表现出显著优势。
“此前已有研究提出其他方法，比如使用细长探测器或经典阵列。”福田解释道，“但这些方法受限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，具有更强的通用性，且探测精度更高。”
量子传感器打开暗物质探测新窗口
研究团队提出的新方法有望在未来实验中进一步优化，并投入实际应用。这项工作也可能激发粒子物理学家和高能物理学家对量子传感在暗物质探测及其他高精度粒子研究中潜力的兴趣。
福田补充说：“我们证明了量子技术在高能物理领域具有重要价值。”
“我认为，量子传感器在我们研究的其他方面也有应用前景。我期待继续探索这些可能性。在未来的研究中，我们还计划进一步改进方法，尝试通过传感器阵列同时测量暗物质的运动速度与空间分布。”
更多信息：Hajime Fukuda 等人，《利用量子传感器定向搜索轻暗物质》，Physical Review Letters（2025）。DOI：10.1103/cwx5-2n1y。