利用量子干涉探测普朗克尺度暗物质
尽管各种研究暗示了暗物质的存在，但其性质、组成和潜在物理原理仍不太清楚。近年来，物理学家一直在理论化和寻找各种可能的暗物质候选者，包括可能与量子引力效应有关的普朗克尺度质量的粒子（约 1.22×10 19 GeV 或 2.18×10 −8千克）。
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假设，可以使用高灵敏度的重力介导量子相移来探测普朗克尺度的暗物质。他们的论文发表在《物理评论快报》上，介绍了一种协议，旨在利用约瑟夫森结探测这些假设的暗物质粒子。
论文共同作者卡洛·罗韦利告诉 Phys.org：“这项研究源于亚历杭德罗·佩雷斯提出的想法。”
“我们三人都在 QISS 研究联盟在法国乡村组织的量子引力和量子信息学校任教，因为我们彼此认识，但通常住在不同的城市，所以我们决定在那里合租一套公寓。
“亚历杭德罗认为，一种由引力产生的特殊量子干涉被认为是在实验室中揭示量子引力效应的可能方式，也可以用于探测普朗克尺度的暗物质。”
几年来，克里斯托杜卢和量子光学与量子信息研究所的同事一直在探索探测质量为普朗克级的暗物质粒子的可能性。最初，他们专注于使用量子传感器探测这些粒子的可能性，克里斯托杜卢也在 2022 年希腊的一个研讨会上与罗韦利讨论了这个想法。
“我曾让一名学生尝试进行一项计算，该计算是关于粒子在引力作用下的经典运动，当时这被视为利用维也纳开发的技术进行量子传感的初步步骤。然而，这是一个错误的想法，”该研究的共同作者马里奥斯·克里斯托杜卢 (Marios Christodoulou) 说道。
“当我在法国讲授引力介导纠缠实验背后的理论课程时，我主要强调的一点正是，虽然引力的影响通常被认为是‘物体相互坠落’，但干涉测量法可以放大引力的微小影响，原因在于它与此无关，而只与作用的值有关，即使忽略‘物体相互坠落’，作用的值在量子环境中也可以取不同的值。”
在法国土伦大学时，克里斯托杜卢开始与该校高级教授亚历杭德罗·佩雷斯讨论他在研究中探索的想法。这开启了双方的合作，并最终促成了这项研究。
“然后我告诉他，我有一个学生正在尝试计算经典传感器的‘物体相互碰撞’效应，这将使我们能够随后考虑量子传感器。亚历杭德罗提到，我刚刚认为这样做是错误的，事实确实如此，但我当时没有意识到这一点，”克里斯托杜卢说。“就在那时，这个想法突然闪过，然后亚历杭德罗花了几天时间在他的笔记本电脑上进行计算，这是这篇论文的核心。”
该研究小组的研究建立在罗维利之前的研究基础之上，罗维利从圈量子引力理论的角度描述了普朗克黑洞（具有普朗克级质量的黑洞）。他的理论表明，这些粒子只在引力上相互作用，这使得它们成为有希望的暗物质候选者。
佩雷斯说：“2021 年开始，我开始痴迷于这个想法，当时我意识到一次足够热的大爆炸将产生恰好数量的黑洞，以解释今天观测到的暗物质丰度。”
“大爆炸的初始温度需要接近普朗克温度，从量子引力的角度来看，这也是一种自然的可能性。我把这称为‘引力奇迹’，类比所谓的 WIMP 奇迹，当人们坚信超对称时，这种奇迹激发了对 WIMPS 的探索。从那时起，我就努力寻找这个想法的一些观察线索，或者换句话说，如果暗物质是由如此微小的黑洞组成的，我们该如何证明这一点？”
随后，罗韦利、克里斯托杜卢和佩雷斯开始更深入地探索这个想法，并试图找到测试它的潜在方法。他们首先关注在引力相关的情况下测试量子力学的潜在方法。
“我参加了 Markus Aspelmeyer 在 QISS 会议上的演讲，会上正在进行一些令人难以置信的实验，这些实验在一段时间前似乎是不可能的，”Perez 说。“那天下午我们三个人进行了讨论，这篇论文的想法自然而然地出现了。”
基于罗维利之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。在过去的这些论文中，他们提出，在生命结束时，黑洞可能会变成寿命很长的普朗克尺度粒子。这些粒子非常微小，但质量却相当大，大约只有几微克。
“我们的主要假设是，自然界中存在截面约为普朗克的普朗克质量粒子，”Christodoulou 说。
“由于普朗克质量大约相当于人类头发的质量，因此它们会具有相对显著的引力。它很小，但足够大，以至于其引力几乎无法探测到。它们成为非常自然的暗物质候选者，因为我们知道暗物质在引力上相互作用，但在其他方面没有显著相互作用，而这些粒子的行为方式预计就是这样的。”
本质上，研究人员提出，当一个具有普朗克尺度质量的粒子经过处于叠加态（即同时存在于多个状态）的测试粒子（即探测器）时，该粒子位于两个不同的位置，在这两个位置都会感受到引力场。这将产生一种量子效应，如果通过实验促使探测器的两个状态相互干扰，这种效应就可以被检测到。
佩雷斯说： “为了真正测量这种效应（因为波函数只告诉我们找到探测粒子位置的概率），人们必须多次重复观察并进行统计。”
“问题是我们没有这样的奢侈，因为暗物质粒子非常稀有（它们的密度非常小），所以实验不能随意重复多次。
“对于实际问题，最好假设探针粒子具有自旋（作为电子），然后更容易进行理想实验，其中测量干涉（不是位置）而是自旋变量。然而，在这种改进的情况下，必须多次重复实验的困难仍然存在。”
研究团队在论文中表明，使用许多粒子处于相干集体量子态的系统可以搜索普朗克尺度粒子。此方案将消除多次重复实验的需要。
佩雷斯说： “在一种特殊的量子态中，电子数大约为1023 /cm3 ，所有电子都表现得像一个整体（它们由一个集体的单波函数来描述）。”
“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状态（两个超导体之间的空间间隙）。由于距离不同，暗物质粒子在结两侧的通过（引力）作用不同，两侧波函数之间的干涉产生宏观效应：电流穿过结（电子隧穿间隙）。”
研究人员提出的方案无需多次重复实验。这是因为普朗克尺度暗物质粒子的单次通过涉及大量电子，从而减少了统计计算的需要。
“间隙中的电流是 10 23 个电子/cm 3的概率响应的平均值（从统计意义上讲） ，”佩雷斯说，“这就像同时进行大量第一类实验一样。”
Rovelli、Christodoulou 和 Perez 最近的这篇论文可能很快会为寻找普朗克尺度的暗物质粒子开辟新的可能性。未来，他们提出的协议可能有助于首次探测到这些难以捉摸的粒子。
罗维利说：“我们的工作提供了检测此类粒子的具体方法。”
“有趣的是，这种粒子可能是天文学家发现的神秘暗物质的主要成分。如果我们提出的探测能够实现，那将是惊人的：同时，它将告诉我们什么是暗物质，它将验证量子引力理论，从而得出这种粒子存在的想法，特别是圈量子引力，这是预测的基础，它还将揭示自然界中一种新的物体：这些普朗克尺度粒子。”
该研究小组制定的协议可作为开发新型探测器的基础，用于寻找具有普朗克级质量的暗物质粒子。罗维利是一位理论物理学家，目前正在进行新的研究，旨在了解黑洞如何演变成这些假设的暗物质粒子。
“探测此类粒子在技术上将是一个巨大的挑战，也许可以考虑其他探测方法，使用相同的原理，但使用不同的传感器，”克里斯托杜卢说。“我一直在思考这个问题。”
在罗维利继续进行理论研究的同时，克里斯托杜卢和佩雷斯已经开始与其他实验物理学家合作，比如维也纳欧亚空间物理研究所的杰拉德·希金斯和马丁·泽姆里卡。这些合作可能会带来利用超导体测量引力场的可能性研究。
佩雷斯补充道：“我相信暗物质由普朗克质量粒子组成的假设必定会在天体物理学中产生其他观察结果。”
“例如，它们与其他粒子的极其微弱的相互作用（结合它们的量子力学性质）可能意味着这种暗物质在通过引力形成结构时的行为与预期不同：它有可能解释银河系晕结构中的一些谜题。”
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