1.媒体来源:
Phys.org
2.记者署名:
Ingrid Fadelli
3.完整新闻标题:
Detecting Planck-scale dark matter by leveraging quantum interference
4.完整新闻内文:
尽管各种研究都暗示了暗物质的存在，但对其本质、成分和基础物理学仍然知之甚少。
近年来，物理学家一直在理论化并搜寻各种可能的暗物质候选者，包括具有普朗克尺度质量
的粒子（约 1.22×10^19 GeV 或 2.18×10^ 8 千克），这些粒子可能与量子重力效应相关。
艾克斯马赛大学和量子光学与量子信息研究所的研究人员最近提出，普朗克尺度的暗物质可
以通过高度敏感的引力介导量子相位变化来检测。他们在《物理评论快报》上发表的论文介
绍了一种协议，旨在使用约瑟夫森结来检测这些假设的暗物质粒子。
该论文的共同作者卡洛·罗维利告诉 Phys.org：“这项研究源于亚历杭德罗·佩雷斯提出的
一个想法。”
“我们三人在由 QISS 研究联盟在法国乡村组织的量子重力与量子信息学校授课，因为我们
相互认识但通常住在不同的城市，所以我们决定共住一个公寓。”
“亚历杭德罗提出了一个想法，即一种由引力产生的特殊量子干涉，这种干涉被讨论为在实
验室中揭示量子重力效应的可能方式，也可以用来检测普朗克尺度的暗物质。”
量子光学与量子信息研究所的克里斯托多洛和他的同事们已经探索了几年检测普朗克尺度质
量的暗物质粒子的可能性。最初，他们专注于使用量子传感器检测这些粒子的可能性，这个
想法克里斯托多洛在 2022 年希腊的研讨会上也与罗维利讨论过。
克里斯托多洛说：“我有一个学生正在尝试计算由于粒子的引力吸引力而产生的经典运动，
当时被视为使用维也纳开发的技术进行量子传感的初步步骤。但这是一个错误的想法。”
“当我在法国教授一门有关引力介导纠缠实验背后理论的课程时，我强调的一个主要观点正
是，尽管引力效应通常被认为是‘物体相互吸引’，但干涉仪可以放大引力微小效应的原因
与此无关，而仅仅与作用量的值相关，这个值可以在量子环境中取不同的值，即使忽略了‘
物体相互吸引’。”
克里斯托多洛在法国土伦大学时，开始与亚历杭德罗·佩雷斯，一位大学的资深教授，讨论
他在研究中探索的想法。这促成了最终导致这项研究的合作。
“我告诉他，我有一个学生正在尝试计算‘物体相互吸引’效应，这是为了随后考虑量子传
感器。亚历杭德罗提到，我刚刚辩称这是错误的做法，事实确实如此，而我当时没有意识到
。”克里斯托多洛说。“那时候这个想法就迸发出来了，随后亚历杭德罗在他的笔记本电脑
上花了几天时间进行计算，这些计算构成了该论文的骨干。”
这群研究人员的研究基于罗维利的先前研究，这些研究从圈量子重力理论的角度描述了普朗
克尺度质量的黑洞。他的理论表明，这些粒子仅以引力相互作用，使它们成为有前途的暗物
质候选者。
佩雷斯说：“我在 2021 年对这个想法着迷，当时我意识到足够热的大爆炸会产生恰好足够
数量的这种黑洞，来解释今天观察到的暗物质丰度。”
罗维利、克里斯托多洛和佩雷斯随后开始更深入地探索这个想法，并试图找到潜在的测试方
法。他们最初专注于在引力相关的情况下测试量子力学的潜在方法。
基于罗维利先前对黑洞的理论研究，研究人员假设普朗克尺度的物体确实存在。在这些先前
的论文中，他们提出，黑洞在其生命结束时可能会变成具有长寿命的普朗克尺度粒子。这些
粒子将极其微小，但拥有相当大的质量，约为几微克的一小部分。
克里斯托多洛说：“我们的主要假设是，具有约普朗克尺度横截面的普朗克质量粒子存在于
自然界中。”
克里斯托多洛继续说：“这些粒子的引力吸引力相对较大，因为普朗克质量约为一根人类头
发的质量。虽然很小，但足够大，使得其引力吸引力勉强可被检测到。这些粒子成为非常自
然的暗物质候选者，因为我们知道暗物质仅以引力相互作用，而几乎不会以其他方式显著互
动，而这正是这些粒子预期的行为方式。”
基本上，研究人员提出，一个处于叠加态的测试粒子（即同时存在于多种状态），在两个不
同位置时，当一个普朗克尺度质量的粒子经过时，会在这两个位置感受到引力场。这将产生
一种量子效应，如果实验中诱导探针的两个状态相互干涉，这个效应可能是可以检测到的。
佩雷斯解释说：“要真正测量这个效应（因为波函数只告诉我们探针粒子可能存在的位置的
概率），必须重复多次观察并进行统计。”
“问题在于，这样的奢侈并不存在，因为暗物质粒子非常稀有（它们的密度非常小），因此
实验不能随意重复多次。”
“从实际操作的角度来说，假设探针粒子具有自旋（如电子）是最好的，这样更容易产生一
个理想的实验，在这里人们不测量位置上的干涉，而是测量自旋变量中的干涉。然而，在这
个改进的情境下，必须多次重复实验的难题依然存在。”
在他们的论文中，研究小组展示了一种方法，可能可以使用一个包含许多粒子处于相干集体
量子态的系统来搜寻普朗克尺度的粒子。这种协议可以消除多次重复实验的需求。
佩雷斯说：“在特殊的量子态中，每立方厘米大约有 10^23 个电子，它们全都像一个单独
的电子一样行为（它们被描述为一个集体的单一波函数）。”
“在约瑟夫森结中，它们（在某种程度上）处于结两侧不同位置的叠加态（空间间隙将两个
超导体分开）。当一个暗物质粒子经过时，它对结的两侧产生的引力作用是不同的，因为它
们距离不同。这两侧波函数的干涉会产生一个宏观效应：电流穿过结的隧道效应（电子穿过
间隙）。”
研究人员提出的协议消除了多次重复实验的需求。这是由于单次通过普朗克尺度暗物质粒子
时，涉及到的大量电子减少了统计计算的需求。
佩雷斯说：“穿过间隙的电流是在统计意义上，所有每立方厘米 10^23 个电子的概率响应
的平均值。这就好像一次进行了大量的第一种类型的实验。”
罗维利、克里斯托多洛和佩雷斯的这篇新论文，可能很快会为寻找普朗克尺度的暗物质粒子
开启新的可能性。未来，他们提出的协议或许有助于首次检测到这些高度难以捉摸的粒子。
罗维利表示：“我们的工作提供了一种具体的方法来检测这些粒子。”
“其意义在于，这些粒子可能是天文学家所揭示的神秘暗物质的主要组成部分。如果我们提
出的检测能够实现，这将是壮观的：它不仅会告诉我们暗物质是什么，还会验证量子重力的
理论，尤其是基于预测的圈量子重力理论。此外，它还会揭示一种新的自然界物体：这些普
朗克尺度的粒子。”
这个研究团队开发的协议可能会成为发展新型探测器的基础，用来搜寻具有普朗克尺度质量
的暗物质粒子。罗维利作为理论物理学家，正在进行新的研究，试图理解黑洞如何演变为这
些假设的暗物质粒子。
克里斯托多洛补充道：“检测这些粒子在技术上将是巨大的挑战，并且可能还有其他基于相
同原理但使用不同感应器的检测方法值得考虑，这也是我一直在思考的问题。”
尽管罗维利继续他的理论研究，克里斯托多洛和佩雷斯已经与其他实验物理学家，如奥地利
科学院的杰拉德·希金斯和马丁·泽姆利卡展开合作，这些合作可能会导致研究如何利用超导
体来测量引力场。
佩雷斯补充说：“我相信，暗物质由普朗克质量粒子构成的假设必定在天体物理学中具有其
他观测后果。”
“例如，它们与其他粒子的极弱互作用（结合它们的量子力学性质）可能意味着，这些暗物
质在通过其引力吸引力形成结构时，表现方式与预期不同：这有可能解释一些有关星系晕结
构的谜题。”
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https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.111001