量子传感器助力追踪轻暗物质运动轨迹
暗物质是一种极为神秘的存在，它既不发光，也不吸收或反射光，且与普通物质的相互作用极为微弱。这些特性使得传统粒子探测技术难以捕捉其踪迹。
由于尚未被直接观测到，暗物质的组成至今仍是个谜。一些理论提出，它可能由质量极低的粒子构成，其质量甚至低于1电子伏特，这类粒子更倾向于表现出波动行为。
来自东京大学和中央大学的研究团队近期尝试利用量子传感器技术来探测这类亚GeV级的暗物质。量子传感器是一种高度精密的测量设备，它依赖于量子态的相干性和叠加性，以检测极微弱的信号。
他们在《物理评论快报》上发表的研究指出，量子传感器在追踪轻暗物质的速度和方向方面具有独特优势。
论文第一作者福田宏（Hajime Fukuda）在接受 Phys.org 采访时提到，在浏览 arXiv 上的最新量子物理论文时，他注意到分布式量子传感已成为一个新兴研究热点。这激发了研究团队思考，是否可以将这项技术用于高能物理领域，从而为暗物质探测提供新的思路。
从粒子运动轨迹中获取关键参数
福田及其团队的研究目标是将量子工程的进展与高能粒子物理研究相结合，以提高当前暗物质探测实验的精度和灵敏度。
传统上，探测重暗物质的方法主要依赖于探测器内粒子与探测材料发生碰撞时所产生的信号。这类方法在测量重暗物质的速度方面具有一定可行性，尽管实验难度较高。
然而，轻暗物质则不同。由于其质量极小，通常的离散激发方式难以捕捉其运动特征。研究团队提出，利用空间分布式的探测系统，可以实现对轻暗物质运动速度的测量，而非依赖于反冲径迹信号。
在论文中，研究人员提出了一种创新的探测策略，其核心是使用多个暗物质探测器配合特定的量子测量协议。通过这种方式，探测器收集到的数据可被解释为量子传感器的输出，从而提取出关于暗物质运动速度和方向的关键信息。
团队还进行了系列模拟分析，以评估该方法的可行性。结果显示，该方法有望显著提升探测器的灵敏度。
福田指出：“早期研究尝试使用细长探测器或传统探测器阵列来寻找轻暗物质，但这些方法通常依赖于特定的相互作用机制。而我们提出的方案基于量子传感器阵列，具备更广泛的适用性，同时在灵敏度方面也更具优势。”
为未来暗物质探测开辟新路径
这项研究提出的探测方法为轻暗物质的搜寻工作带来了新的可能性，并有望在不久的将来被进一步优化并应用于实际实验。
福田认为，这项工作也可能激励更多高能物理研究者探索量子传感在粒子探测中的潜力。
“我们已证明量子方法在高能物理研究中能够发挥重要作用。”他补充道，“我相信量子传感器在我们这个领域还有其他潜在应用。在后续研究中，我们计划改进现有方法，尝试利用传感器阵列同时测量暗物质的速度与空间分布。”
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。
期刊信息：Physical Review Letters，arXiv