1.媒體來源:
Phys.org
2.記者署名:
Ingrid Fadelli
3.完整新聞標題:
Detecting Planck-scale dark matter by leveraging quantum interference
4.完整新聞內文:
儘管各種研究都暗示了暗物質的存在，但對其本質、成分和基礎物理學仍然知之甚少。
近年來，物理學家一直在理論化並搜尋各種可能的暗物質候選者，包括具有普朗克尺度質量
的粒子（約 1.22×10^19 GeV 或 2.18×10^ 8 千克），這些粒子可能與量子重力效應相關。
艾克斯馬賽大學和量子光學與量子信息研究所的研究人員最近提出，普朗克尺度的暗物質可
以通過高度敏感的引力介導量子相位變化來檢測。他們在《物理評論快報》上發表的論文介
紹了一種協議，旨在使用約瑟夫森結來檢測這些假設的暗物質粒子。
該論文的共同作者卡洛·羅維利告訴 Phys.org：「這項研究源於亞歷杭德羅·佩雷斯提出的
一個想法。」
「我們三人在由 QISS 研究聯盟在法國鄉村組織的量子重力與量子信息學校授課，因為我們
相互認識但通常住在不同的城市，所以我們決定共住一個公寓。」
「亞歷杭德羅提出了一個想法，即一種由引力產生的特殊量子干涉，這種干涉被討論為在實
驗室中揭示量子重力效應的可能方式，也可以用來檢測普朗克尺度的暗物質。」
量子光學與量子信息研究所的克里斯托多洛和他的同事們已經探索了幾年檢測普朗克尺度質
量的暗物質粒子的可能性。最初，他們專注於使用量子傳感器檢測這些粒子的可能性，這個
想法克里斯托多洛在 2022 年希臘的研討會上也與羅維利討論過。
克里斯托多洛說：「我有一個學生正在嘗試計算由於粒子的引力吸引力而產生的經典運動，
當時被視為使用維也納開發的技術進行量子傳感的初步步驟。但這是一個錯誤的想法。」
「當我在法國教授一門有關引力介導糾纏實驗背後理論的課程時，我強調的一個主要觀點正
是，儘管引力效應通常被認為是『物體相互吸引』，但干涉儀可以放大引力微小效應的原因
與此無關，而僅僅與作用量的值相關，這個值可以在量子環境中取不同的值，即使忽略了『
物體相互吸引』。」
克里斯托多洛在法國土倫大學時，開始與亞歷杭德羅·佩雷斯，一位大學的資深教授，討論
他在研究中探索的想法。這促成了最終導致這項研究的合作。
「我告訴他，我有一個學生正在嘗試計算『物體相互吸引』效應，這是為了隨後考慮量子傳
感器。亞歷杭德羅提到，我剛剛辯稱這是錯誤的做法，事實確實如此，而我當時沒有意識到
。」克里斯托多洛說。「那時候這個想法就迸發出來了，隨後亞歷杭德羅在他的筆記本電腦
上花了幾天時間進行計算，這些計算構成了該論文的骨幹。」
這群研究人員的研究基於羅維利的先前研究，這些研究從圈量子重力理論的角度描述了普朗
克尺度質量的黑洞。他的理論表明，這些粒子僅以引力相互作用，使它們成為有前途的暗物
質候選者。
佩雷斯說：「我在 2021 年對這個想法著迷，當時我意識到足夠熱的大爆炸會產生恰好足夠
數量的這種黑洞，來解釋今天觀察到的暗物質豐度。」
羅維利、克里斯托多洛和佩雷斯隨後開始更深入地探索這個想法，並試圖找到潛在的測試方
法。他們最初專注於在引力相關的情況下測試量子力學的潛在方法。
基於羅維利先前對黑洞的理論研究，研究人員假設普朗克尺度的物體確實存在。在這些先前
的論文中，他們提出，黑洞在其生命結束時可能會變成具有長壽命的普朗克尺度粒子。這些
粒子將極其微小，但擁有相當大的質量，約為幾微克的一小部分。
克里斯托多洛說：「我們的主要假設是，具有約普朗克尺度橫截面的普朗克質量粒子存在於
自然界中。」
克里斯托多洛繼續說：「這些粒子的引力吸引力相對較大，因為普朗克質量約為一根人類頭
髮的質量。雖然很小，但足夠大，使得其引力吸引力勉強可被檢測到。這些粒子成為非常自
然的暗物質候選者，因為我們知道暗物質僅以引力相互作用，而幾乎不會以其他方式顯著互
動，而這正是這些粒子預期的行為方式。」
基本上，研究人員提出，一個處於疊加態的測試粒子（即同時存在於多種狀態），在兩個不
同位置時，當一個普朗克尺度質量的粒子經過時，會在這兩個位置感受到引力場。這將產生
一種量子效應，如果實驗中誘導探針的兩個狀態相互干涉，這個效應可能是可以檢測到的。
佩雷斯解釋說：「要真正測量這個效應（因為波函數只告訴我們探針粒子可能存在的位置的
概率），必須重複多次觀察並進行統計。」
「問題在於，這樣的奢侈並不存在，因為暗物質粒子非常稀有（它們的密度非常小），因此
實驗不能隨意重複多次。」
「從實際操作的角度來說，假設探針粒子具有自旋（如電子）是最好的，這樣更容易產生一
個理想的實驗，在這裡人們不測量位置上的干涉，而是測量自旋變量中的干涉。然而，在這
個改進的情境下，必須多次重複實驗的難題依然存在。」
在他們的論文中，研究小組展示了一種方法，可能可以使用一個包含許多粒子處於相干集體
量子態的系統來搜尋普朗克尺度的粒子。這種協議可以消除多次重複實驗的需求。
佩雷斯說：「在特殊的量子態中，每立方厘米大約有 10^23 個電子，它們全都像一個單獨
的電子一樣行為（它們被描述為一個集體的單一波函數）。」
「在約瑟夫森結中，它們（在某種程度上）處於結兩側不同位置的疊加態（空間間隙將兩個
超導體分開）。當一個暗物質粒子經過時，它對結的兩側產生的引力作用是不同的，因為它
們距離不同。這兩側波函數的干涉會產生一個宏觀效應：電流穿過結的隧道效應（電子穿過
間隙）。」
研究人員提出的協議消除了多次重複實驗的需求。這是由於單次通過普朗克尺度暗物質粒子
時，涉及到的大量電子減少了統計計算的需求。
佩雷斯說：「穿過間隙的電流是在統計意義上，所有每立方厘米 10^23 個電子的概率響應
的平均值。這就好像一次進行了大量的第一種類型的實驗。」
羅維利、克里斯托多洛和佩雷斯的這篇新論文，可能很快會為尋找普朗克尺度的暗物質粒子
開啟新的可能性。未來，他們提出的協議或許有助於首次檢測到這些高度難以捉摸的粒子。
羅維利表示：「我們的工作提供了一種具體的方法來檢測這些粒子。」
「其意義在於，這些粒子可能是天文學家所揭示的神秘暗物質的主要組成部分。如果我們提
出的檢測能夠實現，這將是壯觀的：它不僅會告訴我們暗物質是什麼，還會驗證量子重力的
理論，尤其是基於預測的圈量子重力理論。此外，它還會揭示一種新的自然界物體：這些普
朗克尺度的粒子。」
這個研究團隊開發的協議可能會成為發展新型探測器的基礎，用來搜尋具有普朗克尺度質量
的暗物質粒子。羅維利作為理論物理學家，正在進行新的研究，試圖理解黑洞如何演變為這
些假設的暗物質粒子。
克里斯托多洛補充道：「檢測這些粒子在技術上將是巨大的挑戰，並且可能還有其他基於相
同原理但使用不同感應器的檢測方法值得考慮，這也是我一直在思考的問題。」
儘管羅維利繼續他的理論研究，克里斯托多洛和佩雷斯已經與其他實驗物理學家，如奧地利
科學院的杰拉德·希金斯和馬丁·澤姆利卡展開合作，這些合作可能會導致研究如何利用超導
體來測量引力場。
佩雷斯補充說：「我相信，暗物質由普朗克質量粒子構成的假設必定在天體物理學中具有其
他觀測後果。」
「例如，它們與其他粒子的極弱互作用（結合它們的量子力學性質）可能意味著，這些暗物
質在通過其引力吸引力形成結構時，表現方式與預期不同：這有可能解釋一些有關星系暈結
構的謎題。」
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https://phys.org/news/2024-10-planck-scale-dark-leveraging-quantum.html
6.備註:
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.111001