暗物质是一种难以捉摸的物质，它既不发射光，也不吸收光，更不反射光，与普通物质的相互作用也极其微弱。这些特性使得物理学家无法使用研究物质粒子的传统技术来探测它。

由于此前从未被观测到，暗物质的确切组成仍然未知。一种理论认为，这种难以捉摸的物质由质量极小的轻粒子组成，其质量低于1电子伏特，并且这些粒子的行为更接近于波而非粒子。

东京大学和中央大学的研究人员最近探索了利用量子传感器寻找亚GeV暗物质的可能性。量子传感器是一种先进的系统，依靠量子力学效应来探测极其微弱的信号。

他们发表在《物理评论快报》上的论文强调了这些高灵敏度传感系统在追踪轻暗物质的速度和方向方面的潜力。

“我在arXiv上查看量子物理类别的最新论文时发现，分布式量子传感已成为一个相当热门的话题，”该论文的第一作者 Hajime Fukuda 告诉 Phys.org。

“当时我们就在想，我们是否可以将这项技术应用到我们的领域（即高能物理）中，于是就想到了用它来探测暗物质。”

测量暗物质的速度和方向

福田及其同事的最新研究旨在将量子工程的最新进展与粒子物理学相结合，特别是为了改进正在进行的暗物质探测工作。为了寻找假想的重暗物质粒子，物理学家迄今为止主要尝试探测这些粒子与暗物质探测器内的特定材料、原子或原子核碰撞时产生的微弱振动或信号。

福田说：“采用这些方法，测量暗物质的速度就很容易，尽管从实验上来说这当然很困难。”

“然而，对于轻暗物质，我们通常使用某种离散模式的激发，因此无法观测到其速度。我们发现，我们可以通过空间扩展探测器来测量轻暗物质的速度，而不是通过测量空间扩展信号（反冲径迹）。”

研究人员在论文中提出了一种全新的策略，可用于测量暗物质的速度和方向。该策略需要使用多个暗物质探测器和一种量子测量协议。

这些探测器收集的数据将被视为量子传感器数据，研究人员可以从中提取有关暗物质速度和方向的信息。福田及其同事进行了一系列分析，以评估他们方法的潜力，结果发现该方法将显著提高探测器的灵敏度。

福田解释说： “早期的研究引入了其他寻找轻暗物质的方法，例如使用细长探测器或经典探测器阵列。然而，这些方法依赖于相互作用的具体类型，而我们的方法则依赖于量子传感器阵列，更具普适性。此外，我们的方法灵敏度也更高。”

未来暗物质搜寻的新途径

该研究团队提出的寻找轻暗物质的新方法有望很快得到进一步完善，并应用于实际实验。这项最新研究也可能启发其他粒子物理学家和高能物理学家探索量子传感系统在暗物质搜寻和其他粒子精确研究中的潜力。

福田补充道：“我们证明了量子方法可以在高能物理中发挥重要作用。”

“我认为量子传感器在我们这个领域可能还有其他应用，我很期待继续探索这种可能性。在接下来的研究中，我们还可以改进我们的方法，尝试利用传感器阵列不仅测量速度，还要测量暗物质的分布。”

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)。DOI ：10.1103/cwx5-2n1y。

期刊信息： Physical Review Letters ， arXiv