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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。
東京大學和中央大學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熱門的話題，”該論文的第一作者 Hajime Fukuda 告訴 Phys.org。
“當時我們就在想，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)其他粒子物理學家和高能物理學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，嘗試利用傳感器陣列不僅測量速度，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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