一个快速移动的普朗克质量暗物质粒子（蓝色）在两个位置叠加的状态（红色）的量子粒子旁边飞行，在两个量子分支之间引起相移，这可以通过量子干涉来探测。这种机制由多个 Josephson 结实现，可能是纯引力暗物质探测器的基础。图片来源：Marios Christodoulou、Alejandro Perez 和 Carlo Rovelli。

虽然各种研究都暗示了暗物质的存在，但人们对其性质、组成和基本物理学仍然知之甚少。

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，包括质量为普朗克尺度（约 1.22×10）的粒子19GeV 或 2.18×10−8kg），这可能与量子引力效应有关。

艾克斯-马赛大学（Aix-Marseille University）和量子光学与量子信息研究所（Institute for Quantum Optics and Quantum Information）的研究人员最近假设，可以使用高灵敏度的引力介导的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，旨在使用 Josephson 结来检测这些假设的暗物质粒子。

“这项研究源于亚历杭德罗·佩雷斯 （Alejandro Perez） 提出的一个想法，”该论文的合著者卡洛·罗维利 （Carlo Rovelli） 告诉 Phys.org。

“我们三个人都在 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，由于我们彼此认识，但我们通常住在不同的城市，因此我们决定在那里合租一套公寓。

“亚历杭德罗有一个想法，即由引力产生的一种特殊类型的量子干涉，被讨论为在实验室中揭示量子引力效应的一种可能方法，也可以用于探测普朗克尺度的暗物质。”

几年来，Christodoulou 和他在量子光学和量子信息研究所的同事一直在探索探测质量在普朗克尺度上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，Christodoulou 还在 2022 年希腊的一个研讨会上与 Rovelli 讨论了这个想法。

“我让一个学生尝试了一项计算，该计算是关于粒子由于其引力而进行的经典运动，当时被视为使用维也纳开发的技术考虑量子传感的初步步骤。然而，这是一个错误的想法，“该研究的合著者马里奥斯·克里斯托杜鲁 （Marios Christodoulou） 说。

“当我在法国讲授引力背后的理论、介导纠缠实验时，我推动的一个主要观点恰恰是，虽然引力的影响通常被认为是'物体相互落入'，但干涉测量法可以放大引力的微小效应的原因是它与此无关。 但只与动作的值有关，在量子设置中可以采取不同的值，甚至忽略了'相互落入的事物'。

当他在法国土伦大学时，Christodoulou 开始与该大学的高级教授 Alejandro Perez 讨论他在研究中探索的想法。这启动了最终导致这项研究的合作。

“然后我告诉他，我有一个学生试图计算经典传感器的'物体相互落入其中'效应，这将使我们能够随后想到量子传感器。亚历杭德罗提到，我刚刚争辩说这是错误的做法，事实确实如此，但我没有意识到，“克里斯托杜罗说。“就在那时，Alejandro 想到了这个想法，然后 Alejandro 花了几天时间在他的笔记本电脑上进行计算，这是论文的主干。”

这组研究人员的研究建立在 Rovelli 之前的研究之上，该研究从环量子引力理论的理论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，这些粒子只在引力作用下相互作用，这使它们成为有希望的暗物质候选者。

“我在 2021 年开始痴迷于这个想法，当时我意识到一个足够热的大爆炸会产生恰到好处的黑洞数量，以解释今天观察到的暗物质丰度，”佩雷斯说。

“大爆炸需要处于接近普朗克温度的初始温度，从量子引力的角度来看，这也是自然的可能性。我称之为“引力奇迹”，类似于所谓的 WIMP 奇迹，当人们强烈相信超对称性时，它激发了对 WIMPS 的搜索。从那时起，我一直在努力寻找这个想法的一些观测手柄，或者换句话说，如果暗物质是由如此微小的黑洞组成的，我们如何证明它？

Rovelli、Christodoulou 和 Perez 随后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。

“我在 QISS 会议上参加了 Markus Aspelmeyer 的演讲，当时正在进行这个领域令人难以置信的实验，这在前段时间似乎是不可能的，”Perez 说。“那天下午，我们三个人进行了讨论，论文的想法自然而然地出现了。”

根据 Rovelli 之前对黑洞的理论研究，研究人员假设普朗克尺度的天体确实存在。在过去的这些论文中，他们提出，在黑洞的生命周期结束时，黑洞可能会变成具有长寿命的普朗克级粒子。这些颗粒非常小，但具有相当大的质量，大约是 1 微克的几分之一。

“我们的主要假设是，自然界中存在横截面约为普朗克的普朗克质量粒子，”Christodoulou 说。

“这些将具有相对显着的引力，因为普朗克质量大约是人类头发的质量。它很小，但足够大，以至于它的引力几乎无法被探测到。这些是非常自然的暗物质候选者，因为我们知道暗物质在引力作用下相互作用，但不会以其他方式显着相互作用，这就是这些粒子的预期行为方式。

从本质上讲，研究人员提出，位于两个不同位置的叠加态（即同时存在于多个状态）中的测试粒子（即探针）当具有普朗克尺度质量的粒子经过时，它会在这两个位置感受到引力场。这将产生量子效应，如果实验提示探针的两种状态相互干扰，则可以检测到该效应。

“要实际测量效果（因为波函数只告诉我们找到探测粒子所在位置的概率），必须多次重复观察并进行统计，”Perez 说。

“问题在于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），因此不能随意重复多次实验。

“对于实际问题，最好假设探针粒子具有自旋（作为电子），然后更容易产生一个理想的实验，其中测量干涉（不是在位置上），而是在自旋变量中。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。

在他们的论文中，该团队表明，使用许多粒子处于相干集体量子态的系统来搜索普朗克尺度的粒子是可能的。该协议将消除多次重复实验的需要。

“一个人大约有 10 个23电子/厘米3在一种特殊的量子状态中，所有量子状态都表现得像一个量子态（它们由一个集体单波函数描述），“Perez 说。

“在 Josephson 结中，它们（在某种程度上）处于结点两侧不同位置的叠加中（分隔两个超导体的空间间隙）。暗物质粒子在结的每一侧的作用不同（引力），因为它们的距离不同，两侧波函数之间的干涉产生宏观效应：电流穿过结点（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要。这是由于普朗克尺度暗物质粒子的单次通道涉及大量电子，这减少了对统计计算的需求。

“穿过间隙的电流是 10 个中每个23电子/厘米3“佩雷斯说。“就好像第一次进行宏观数量的实验一样。”

Rovelli、Christodoulou 和 Perez 最近的这篇论文可能很快就会为搜索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检测到这些高度难以捉摸的粒子。

“我们的工作提供了一种检测此类颗粒的具体方法，”Rovelli 说。

“有趣的是，这些粒子可能是天文学家揭示的神秘暗物质的主要组成部分。如果我们建议的探测能够实现，那将是壮观的：同时，它会告诉我们什么是暗物质，它将验证量子引力的想法，从而得出这个粒子存在的想法，特别是作为预测基础的环量子引力，它还将揭示自然界中的一种新物体： 这些普朗克尺度粒子。

该研究团队开发的协议可以作为开发新探测器的基础，以搜索具有普朗克级质量的暗物质粒子。罗维利是一名理论物理学家，目前正在进行新的研究，旨在了解黑洞如何演化成这些假设的暗物质粒子。

“检测此类颗粒在技术上将是一个巨大的挑战，可能还有空间考虑其他检测方法，使用相同的原理但不同的传感器，”Christodoulou 说。“这是我放在脑海中思考的事情。”

当 Rovelli 现在继续他的理论工作时，Christodoulou 和 Perez 已经开始与其他实验物理学家合作，例如维也纳 OEAW 的 Gerard Higgins 和 Martin Zemlicka。这些合作可能会导致探索使用超导体测量引力场的可能性的研究。

“我相信暗物质由普朗克质量粒子组成的假设在天体物理学中必定会产生其他观测后果，”佩雷斯补充道。

“例如，它们与其他粒子的极弱相互作用（结合它们的量子力学性质）可能意味着这种暗物质在通过其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。”

更多信息：Marios Christodoulou 等人，用量子干涉探测普朗克尺度暗物质，物理评论快报（2024 年）。DOI：10.1103/PhysRevLett.133.111001。

期刊信息： Physical Review Letters