量子传感器助力追踪轻暗物质的运动轨迹
暗物质作为一种难以观测的物质形式，既不发光，也不吸收或反射光，与普通物质的相互作用极其微弱。这种特性使得科学家难以使用传统的粒子探测方法对其进行研究。
尽管科学家尚未直接观测到暗物质，但有理论提出，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，并呈现出类似波的特性。
东京大学与中央大学的研究团队近期提出了一种新思路，即利用量子传感器探测亚GeV级的暗物质。这类传感器借助量子力学原理，能够捕捉极其微弱的信号。
他们在《物理评论快报》上发表的研究指出，这种高灵敏度的量子传感器系统在追踪轻暗物质的运动方向和速度方面展现出巨大潜力。
“当我浏览arXiv上有关量子物理的最新论文时，发现分布式量子传感已成为研究热点。”该研究的第一作者福田博文（Hajime Fukuda）在采访中表示，“我们开始思考，是否可以将这项技术引入高能物理领域，用于暗物质探测。”
追踪轻暗物质的方向与速度
福田及其研究团队希望借助量子工程的最新进展，推动粒子物理学的前沿研究，尤其是暗物质探测。传统方法主要依赖于探测暗物质粒子与材料原子或原子核碰撞时产生的信号或振动，以寻找重暗物质。
“在这些方法中，虽然理论上可以测量暗物质的速度，但实验上仍面临巨大挑战。”福田指出，“而对于轻暗物质，我们通常只能探测其激发模式，难以获得速度信息。”
他进一步解释道，团队提出的新方法通过空间扩展的探测器设计，而不是测量反冲信号，从而实现了对轻暗物质速度的测量。
研究人员开发了一种新的方法，结合多个暗物质探测器和一种量子测量协议，以获取暗物质的速度和方向信息。探测器采集的数据被处理为量子传感器信号，研究人员从中提取关键参数。
一系列分析表明，这种方法可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经典探测器阵列来探测轻暗物质，但这些方法依赖于特定的相互作用机制，而我们的方法则基于量子传感器阵列，更具通用性。”
打开暗物质研究的新窗口
这项研究为未来暗物质探测提供了一种全新的技术路径，有望在实验中进一步验证和优化。同时，这一成果也可能激发更多高能物理和粒子物理研究者探索量子传感在暗物质探测及粒子测量中的应用。
“我们证明了量子方法在高能物理中的潜力。”福田补充道，“我相信量子传感器在这一领域还有更多应用的可能。在未来的探索中，我们还将尝试扩展传感器阵列的功能，不仅用于测量速度，还要追踪暗物质的空间分布。”
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年。DOI：10.1103/cwx5-2n1y。
期刊信息：Physical Review Letters，arXiv