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- 利用量子傳感器追蹤輕暗物質(zhì)的運動方向，從而尋找輕暗物質(zhì)。
- 來源：Ingrid Fadelli，Phys.org 發(fā)表于 2026/1/5
暗物質(zhì)是一種難以捉摸的物質(zhì)，它既不發(fā)射光，也不吸收光，更不反射光，與普通物質(zhì)的相互作用也極其微弱。這些特性使得物理學(xué)家無法使用研究物質(zhì)粒子的傳統(tǒng)技術(shù)來探測它。
由于此前從未被觀測到，暗物質(zhì)的確切組成仍然未知。一種理論認(rèn)為，這種難以捉摸的物質(zhì)由質(zhì)量極小的輕粒子組成，其質(zhì)量低于1電子伏特，并且這些粒子的行為更接近于波而非粒子。
東京大學(xué)和中央大學(xué)的研究人員最近探索了利用量子傳感器尋找亞GeV暗物質(zhì)的可能性。量子傳感器是一種先進的系統(tǒng)，依靠量子力學(xué)效應(yīng)來探測極其微弱的信號。
他們發(fā)表在《物理評論快報》上的論文強調(diào)了這些高靈敏度傳感系統(tǒng)在追蹤輕暗物質(zhì)的速度和方向方面的潛力。
“我在arXiv上查看量子物理類別的最新論文時發(fā)現(xiàn)，分布式量子傳感已成為一個相當(dāng)熱門的話題，”該論文的第一作者 Hajime Fukuda 告訴 Phys.org。
“當(dāng)時我們就在想，我們是否可以將這項技術(shù)應(yīng)用到我們的領(lǐng)域（即高能物理）中，于是就想到了用它來探測暗物質(zhì)�！�
測量暗物質(zhì)的速度和方向
福田及其同事的最新研究旨在將量子工程的最新進展與粒子物理學(xué)相結(jié)合，特別是為了改進正在進行的暗物質(zhì)探測工作。為了尋找假想的重暗物質(zhì)粒子，物理學(xué)家迄今為止主要嘗試探測這些粒子與暗物質(zhì)探測器內(nèi)的特定材料、原子或原子核碰撞時產(chǎn)生的微弱振動或信號。
福田說：“采用這些方法，測量暗物質(zhì)的速度就很容易，盡管從實驗上來說這當(dāng)然很困難�！�
“然而，對于輕暗物質(zhì)，我們通常使用某種離散模式的激發(fā)，因此無法觀測到其速度。我們發(fā)現(xiàn)，我們可以通過空間擴展探測器來測量輕暗物質(zhì)的速度，而不是通過測量空間擴展信號（反沖徑跡）。”
研究人員在論文中提出了一種全新的策略，可用于測量暗物質(zhì)的速度和方向。該策略需要使用多個暗物質(zhì)探測器和一種量子測量協(xié)議。
這些探測器收集的數(shù)據(jù)將被視為量子傳感器數(shù)據(jù)，研究人員可以從中提取有關(guān)暗物質(zhì)速度和方向的信息。福田及其同事進行了一系列分析，以評估他們方法的潛力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該方法將顯著提高探測器的靈敏度。
福田解釋說： “早期的研究引入了其他尋找輕暗物質(zhì)的方法，例如使用細(xì)長探測器或經(jīng)典探測器陣列。然而，這些方法依賴于相互作用的具體類型，而我們的方法則依賴于量子傳感器陣列，更具普適性。此外，我們的方法靈敏度也更高�！�
未來暗物質(zhì)搜尋的新途徑
該研究團隊提出的尋找輕暗物質(zhì)的新方法有望很快得到進一步完善，并應(yīng)用于實際實驗。這項最新研究也可能啟發(fā)其他粒子物理學(xué)家和高能物理學(xué)家探索量子傳感系統(tǒng)在暗物質(zhì)搜尋和其他粒子精確研究中的潛力。
福田補充道：“我們證明了量子方法可以在高能物理中發(fā)揮重要作用�！�
“我認(rèn)為量子傳感器在我們這個領(lǐng)域可能還有其他應(yīng)用，我很期待繼續(xù)探索這種可能性。在接下來的研究中，我們還可以改進我們的方法，嘗試?yán)脗鞲衅麝嚵胁粌H測量速度，還要測量暗物質(zhì)的分布�！�
更多信息： Hajime Fukuda 等人，《利用量子傳感器定向搜索輕暗物質(zhì)》，《物理評論快報》 (2025)。DOI ：10.1103/cwx5-2n1y。
期刊信息： Physical Review Letters ， arXiv
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